PRODUCCION DE FORMALDEHIDO A PARTIR DE METANOL
BAYONA PÁEZ CARLOS DIDIER GARCÍA JUAN PABLO PINZÓN SIERRA YESENIA SALCEDO LENIS SUAREZ VIVIANA MARCELA VELÁSQUEZ MÓNICA
Presentado a DIEGO PALACIOS Grupo: L2
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOQUIMICAS ANALISIS DE PROCESOS INGENIERÍA QUIMICA BUCARAMANGA 2014
CONTENIDO
ESTUDIO DE MERCADO ................................................................................ 5 1. IDENTIFICACIÓN DE TECNOLOGÍA .............................................................. 5 1.1. MARCO TEÓRICO ........................................................................................ 5 2. ANALISIS DE DATOS HISTORICOS DE DEMANDA Y OFERTA DE INSUMOS Y PRODUCTO ....................................................................................... 6 2.1. CANTIDAD HISTÓRICA DEMANDADA DE PRODUCTO-MATERIAS PRIMAS Y O INSUMOS ..................................................................................................................................................... 6 2.2. CANTIDAD HISTÓRICA OFERTADA DE PRODUCTO-MATERIAS PRIMAS Y O INSUMOS ..................................................................................................................................................... 7
3. PROYECCIÓN DE DEMANDA EFECTIVA DEL PRODUCTO Y MATERIAS PRIMAS .................................................................................................................. 9 3.1. 3.2. 3.3.
PROYECCIÓN DE LA DEMANDA Y OFERTA DEL FORMALDEHIDO............... .................. 9 PROYECCIÓN DE LA DEMANDA Y OFERTA DEL METANOL................ ............................ 10 PROYECCIÓN DE LA DEMANDA Y OFERTA DEL CATALIZADOR DE PLATA ............... 10
4. CAPACIDAD DE L A PLANTA A INSTALAR ................................................ 11 5. CARACTERIZACION DE PRODUCTO E INSUMOS..................................... 12 5.1. 5.2.
PRODUCTO PRINCIPAL: FORMALDEHIDO .......................................................................... 12 METANOL (INSUMO) .................................................................................................................. 15
6. MERCADO COMPETIDOR ............................................................................ 24 6.1. 6.2.
PUNTOS FUERTES .................................................................................................................... 24 PUNTOS DÉBILES ...................................................................................................................... 24
ESTUDIO TECNICO........................................... ............................................. 25 7. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO ................................................. 25 8. DESCRIPCIÓN DET ALLADA DEL PROCESO ............................................. 27 8.1. DIAGRAMA PDF ................................................................................................................................ 28 8.2. CONDICIONES DE OPERACIÓN DE FLUJOS DE MASA Y ENERGÍA DEL PROCESO ...... 32 8.3. MATRIZ DE CONDICIONES ESPECIALES DE PROCESOS........................ ....................... 35 8.4. DESCRIPCION DE EQUIPOS DEL PROCESO ...................................................................... 37 8.5. ESPECIFICACIONES GENERALES ACERCA DE DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS EN HYSYS.................................................................................................................................................. 42
9. ESTRATEGIA DE DISEÑO EN HYSYS ......................................................... 42 9.1.
SELECCIÓN DEL MODELO TERMODINAMICO .................................................................... 42 2
9.2.
10.
DESCRIPCION DE LA ESTRATEGIA DE DISEÑO ................................................................ 43
DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTOS DE EQUIPOS MANUAL.................... 44
10.1. 10.2. 10.3. 10.4. 10.5. 10.6. 10.7.
MANUAL DISEÑO DE TANQUES ALMACENAMIENTO....................... ............................ 44 DISEÑO DEL COMPRESOR ................................................................................................. 49 DISEÑO DE BOMBAS ............................................................................................................ 51 DIMENSIONAMIENTO DE REACTOR ................................................................................. 57 DISEÑO DE ABSORBEDOR ................................................................................................. 64 DISEÑO DE TORRE DESTILACIÓN .................................................................................... 67 DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR ............................................................... 72
10.8. 10.9.
............................................................................................... 86 DISEÑO DEDEL MEZCLADORES RESUMEN DIMENSIONAMIENTO DE LOS EQUIPOS....................... ..................... 90
11.
LOCALIZACION DE L APLANTA .............................................................. 93
11.1. 11.2. 11.3. 11.4. 11.5. 11.6. 11.7. 11.8.
LOCALIZACION DE LOS PROVEEDORES ........................................................................ 94 LOCALIZACION DE LOS CLIENTES ................................................................................... 94 SELECCIÓN DE CIUDADES ................................................................................................. 95 SUMINISTRO DE ENERGIA Y COMBUSTIBLES .............................................................. 95 SUMINISTRO DE AGUA ESTUDIO ECONOMICO ............................................................ 96 SELECCIÓN FINAL DE LA LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA .......................................... 96 COSTO DEL TERRENO ......................................................................................................... 97 DISTANCIAS Y COSTO DE TRANSPORTE ....................................................................... 97
ESTUDIO ECONOMICO ................................................................................ 98 12.
COSTO DE OPERACIÓN ........................................................................... 98
13.
MATRIZ DE FONDO ................................................................................. 110
12.1. 12.2. 12.3. 12.4. 12.5.
13.1. 13.2. 13.3.
14.
CRM (COSTOS DE MATERIAS PRIMAS) ........................................................................... 98 FCI (INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO) ................................................................................. 100 COL (COSTOS DE MANO DE OBRA) ................................................................................ 105 CUT .......................................................................................................................................... 108 CWT ......................................................................................................................................... 110
VPN: ......................................................................................................................................... 111 TIR: .......................................................................................................................................... 111 PRECIO DE EQUILIBRIO: .................................................................................................... 111
ANALISIS DE RIESGO ............................................................................. 112
15. ALTERNATIVAS DE DISEÑO ...................................................................... 113
3
ESTUDIO AMBIENTAL ................................................................................ 114 16. ANALISIS DE IMPACTO AMBIENTAL ........................................................ 114 16.1 IDENTIFICACIÓN DE RESIDUOS PRODUCIDOS DURANTE EL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE FORMALDEHIDO ................................................................................................. 114 16.2 SOLUCIONES DE CONTROL Y MITIGACIÓN .......................................................................... 117 16.3. PLAN DE MANEJO AMBIENTAL ................................................................................................ 120 16.4 EQUIPOS Y COSTOS PARA EL TRATAMIENTO DE RESIDUOS..................... ................... 120 16.4.1. COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS ................................................................................................ 120
17. RESULTADO DE MATRIZ DE FONDO TENIENDO EN CUENTA TRATAMIENTO DE RESIDUOS......................................................................... 124 17.1. COMPARACION FINANCIERA DEL PROYECTO ANTES Y DESPUES DE APLICARSE EL ESTUDIO DE IMPACTO AMBIENTAL ................................................................................................. 124
REFERENCIAS .............................................................................................. 125 ANEXOS........................................... ................................................................ 128 ANEXO 1: DATOS HISTÓRICOS DE DEMANDA-OFERTA PARA EL FORMALDEHIDO ......... 129 ANEXO 2: DATOS HISTÓRICOS DE DEMANDA-OFERTA PARA MATERIAS PRIMAS ........... 130 ANEXO 3: DATOS DE DEMANDA-OFERTA PROYECTADA A 10 AÑOS PARA PRODUCTO E INSUMOS ................................................................................................................................................. 131 ANEXO 4: BALANCES DE MASA ........................................................................................................ 132 ANEXO 5: COSTOS DE EQUIPOS ..................................................................................................... 138 ....................................................................................... 141
ANEXO 6: COSTOS DE MANTENIMIENTO
4
PRODUCCION DE FORMALDEHIDO A PARTIR DE METANOL ESTUDIO DE MERCADO 1.
IDENTIFICACIÓN DE TECNOLOGÍA
1.1. MARCO TEÓRICO El formaldehído (CH2O) es el aldehído más simple y comercialmente importante. Es un gas incoloro a temperatura ambiente, es soluble en agua, alcoholes y otros disolventes polares. Se usa principalmente para la producción de resinas termoestables y poli acetales termoplásticos. Normalmente el formaldehído se produce cerca del punto de consumo por su fácil fabricación y más bien difícil transporte asociado a problemas de estabilidad y costos (IHS Chemical, 2012). Para la obtención de formaldehido se tienen como productos de partida metanol, hidrocarburos ligeros desde el C1 al C4 o éter dimetílico; de los tres la materia prima más utilizada es el metanol, aproximadamente el 30% de metanol que se produce en el mundo se destina a la producción de formaldehido (Floren, 2012). De la oxidación de hidrocarburos se tiene más bien poca información disponible debido a que el proceso está en etapa de mejoramiento por los bajos rendimientos y altos costos de implementación en comparación con el metanol (Arutyunov, 2014). En el caso de la oxidación de metanol se tienen dos rutas de síntesis posicionadas a nivel industrial: (Weissermel, K. Arpe, H, 1981)
Oxidación (total) catalítica:
(1)
Se usan preferentemente catalizadores de óxidos de hierro y/o molibdeno y una cantidad de aire en exceso. La temperatura de trabajo está entre 350-450°C. La vida del catalizador es más o menos 2 años. Los subproductos formados son CO, CO2 y ácido fórmico.
Deshidrogenación-Oxidación (parcial) catalítica
5
(2) (3)
Se usan catalizadores de plata o cobre y una cantidad de aire inferior a la estequiométrica. La temperatura de trabajo está entre 600-720°C. El agua presente tiene efectos beneficiosos sobre la vida del catalizador (6-8 meses), además este se regenera fácilmente de manera electrolítica. Los subproductos formados son CO y CO 2. Se puede observar que el exceso de aire en el proceso de oxidación completa implica costos adicionales, además el catalizador utilizado no se regenera fácilmente; esto sumado a la disponibilidad de la información sobre la cual se va a trabajar nos lleva a escoger el proceso de Deshidrogenación-Oxidación con catalizadores de plata como tecnología del proceso, usando metanol como materia prima. El metanol es un líquido claro, incoloro, inflamable a temperatura ambiente, es biodegradable y tiene una gran cantidad de aplicaciones a nivel industrial. La industria de metanol está presente casi que a nivel mundial con cerca de 100 plantas la capacidad de producción combinada es de 100 millones de toneladas métricas generando $36 billones de actividad económica anual. (Methanol Institute, 2014) El proceso escogido cuenta con tres unidades principales: un reactor, un absorbedor destilación, a continuación se explica más detalle los equipos yyuna las columna condiciones de operación necesarias para lacon producción de formaldehído.
2. ANALISIS DE DATOS HISTORICOS DE DEMANDA Y OFERTA DE
INSUMOS Y PRODUCTO 2.1.
CANTIDAD HISTÓRICA DEMANDADA DE PRODUCTO-MATERIAS PRIMAS Y O INSUMOS Basados en los datos históricos del 2000 a 2013 suministrados por el Departamento Administrativo Nacional de Estadística de Colombia se observa que el metanol líquido, materia prima para la producción del formaldehido presenta datos de demanda (tabla 2) con un comportamiento variable entre un aumento y un descenso continuo debido a que en algunas ocasiones la actividad industrial sufrió un dinamismo donde el consumo de esta materia prima fue requerido en gran medida por la industria química. Por otro lado durante el periodo comprendido entre el año 2006 hasta el año 2008 se reflejó un decremento en el 6
comercio nacional, aunque la cantidad que se demanda se suple casi en su totalidad con las importaciones.
2.2.
CANTIDAD HISTÓRICA OFERTADA DE PRODUCTO-MATERIAS PRIMAS Y O INSUMOS Respecto a las curvas de oferta de los insumos y producto principal es notorio que la producción de metanol en Colombia se ha mantenido en un intervalo constante con respecto a su demanda generando un déficit de esta materia prima permitiendo que el metanol se posicione como insumo predominante en la producción de formaldehido lo cual es reflejado en los datos de la tabla 2. Referente al comportamiento de la producción del catalizador de plata se observa constantes fluctuaciones (Grafica 3) por lo cual es difícil distinguir un índice de crecimiento, sin embargo en los años que hubo escasez de este insumo fue producto de los factores climáticos que afectaron los volúmenes de ventas externas de algunos productos básicos de srcen agrícola y minero, favoreciendo el incremento de la inflación en este año. Respecto al formaldehido se torna la curva de oferta hacia un crecimiento evidente lo cual nos complica la idea de situar una empresa productora de este compuesto debido a que se localiza en un mercado muy saturado que de una u otra forma seria un punto débil para la obtención de resultados exitosos sin embargo se podría re segmentar el mercado aproximándonos a este mediante un planteamiento diferente de la propuesta de valor ya sea la asequibilidad de precios, la identificación de nuevos clientes etc.
HISTÓRICO DEL FORMALDEHÍDO ) 2000,0 o ñ a / n 1500,0 o T ( A D1000,0 N A M E D 500,0 Y A T R E 0,0 F O 1998
2000
2002
2004 2006 2008 TIEMPO (Años)
Qd (Ton/año)
2010
Qo (Ton/año)
Gráfica. 1. Histórico del formaldehido. 7
2012
2014
HISTÓRICO DEL METANOL 120000,0 100000,0
) o ñ a / 80000,0 n o T ( A 60000,0 D N A M D 40000,0 E Y A T 20000,0 R E F O
0,0 1995
2000
-20000,0
2005
2010
2015
TIEMPO (Años) Qd (Ton/año)
Qo (Ton/año)
Gráfica. 2. Histórico del metanol.
4,0
HISTÓRICO DEL CATALIZADOR
) o ñ 3,5 a / n 3,0 o T ( A2,5 D N A2,0 M E 1,5 D Y A1,0 T R E 0,5 F O
0,0 2002
2004
2006
2008
2010
TIEMPO (Años) Qd (Ton/año)
Qo (Ton/año)
Gráfica. 3. Histórico del catalizador de plata. 8
2012
3. PROYECCIÓN DE DEMANDA EFECTIVA DEL PRODUCTO Y MATERIAS
PRIMAS Análisis de Proyecciones Para las proyecciones de producto e insumos se encuentran datos que se alejan considerablemente de la tendencia de la curva de demanda y oferta lo que impide visualizar un factor de crecimiento constante por lo que es indispensable emplear la función de Excel Pronostico para predecir estos valores, y adicionalmente manipular el rango de sensibilidad usando uno más amplio en datos con alta dispersión y un rango más estricto para valores que siguen mucho mejor la tendencia. Del mismo modo se utiliza la función lineal como las apropiadas para encontrar una función que describa el crecimiento de estos productos en 10 años. 3.1. PROYECCIÓN DE LA DEMANDA Y OFERTA DEL FORMALDEHIDO Dentro de la proyección del producto principal se encuentra que el comportamiento es inusual al estándar es decir hay un exceso de oferta (gráfica 4) con respecto a la demanda, lo que conlleva a un desequilibrio del mercado ya que al no vender y acumular inventarios los productores dejan de producir tanto y tienen que bajar el precio porque no hay mercado donde quieran comprarlo a ese precio, sin embargo se puede inferir que a 10 años el escenario seguirá siendo un mercado con mayor oferta aunque si se proyectase un escenario a un tiempo mayor es posible que las curvas se crucen y al tener la curva proyectada de la demanda un aumento más pronunciado que la de la oferta podría suceder que la demanda la superase, lo cual sería favorable para los productores de formaldehido.
PROYECCIONES DEL FORMALDEHIDO ) 1000,0 o ñ a 800,0 / n o T ( 600,0 A D 400,0 N A M 200,0 E D 0,0 Y 2012 A T R E F O
2014
2016
2018
2020
2022
2024
TIEMPO (Años) Qd (Ton/año)
Qo (Ton/año)
Gráfica. 4. Proyección a 10 años de curva de demanda-oferta del Formaldehido. 9
3.2. PROYECCIÓN DE LA DEMANDA Y OFERTA DEL METANOL Referente a la proyección del metanol es posible notar un leve aumento en la curva de demanda (grafica 5) lo cual es razonable por motivos de uso en diversos procesos industriales. Del mismo modo la oferta presenta el mismo comportamiento pero en menor proporción a tal punto de considerar un crecimiento insignificante por lo cual se torna un escenario desfavorable debido a que sí hay carencia de este insumo la producción de formaldehido implicaría mayores importaciones y por ende un costo relativamente alto.
PROYECCIONES DEL METANOL ) 200000,0
o ñ a / 150000,0 n o T ( A100000,0 D N A M 50000,0 E D Y 0,0 A T R 2012 E F O -50000,0
2014
2016
2018
2020
2022
2024
TIEMPO (Años) Qd (Ton/año)
Qo (Ton/año)
Gráfica. 5. Proyección a 10 años de curva de demanda-oferta del metanol. 3.3.
PROYECCIÓN DE LA DEMANDA Y OFERTA DEL CATALIZADOR DE PLATA En cuanto al escenario proyectado para el catalizador se ve notorio un comportamiento desfavorable para la producción de formaldehido ya que se observa que la curva de oferta permanece casi constante con una ligera disminución a través del tiempo mientras que la curva de demanda presenta un considerable aumento, lo que indica que no se tendrá catalizador disponible en el mercado para su uso, lo cual dificulta un poco la obtención de materia prima.
10
PROYECCIONES DEL CATALIZADOR 5,0 ) 4,5 o ñ a 4,0 / n o 3,5 (T A3,0 D N A2,5 M E 2,0 D Y 1,5 A T R1,0 E F O0,5
0,0 2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
2024
TIEMPO (Años) Qd (Ton/año)
Qo (Ton/año)
Gráfica. 6. Proyección a 10 años de curva de demanda-oferta del catalizador. 4. CAPACIDAD DE LA PLANTA A INSTALAR
De acuerdo a las proyecciones elaboradas para este proyecto, la capacidad de producción que se tendrá es de 19.891 toneladas por año. Cabe resaltar que la metodología descrita en la literatura para establecer la capacidad instalada no se logró situar en este tipo de proyecto debido a que los datos resultantes de demanda efectiva y oferta efectiva (tabla 4) arrojan datos negativos que giran en torno al comportamiento inusual de los valores de demanda y oferta del formaldehido siendo la producción mayor que el consumo y en el caso del metanol el consumo es mayor que la oferta impidiendo llevar a cabo el procedimiento de la búsqueda del factor tecnológico y del envolvente inferior . Por tanto se dispone a establecer el volumen de producción mediante el 20% del promedio de la demanda proyectada a diez años con fines netamente académicos con la suposición de que la capacidad instalada solo suplirá un 0.2 de las necesidades del consumidor.
11
5. CARACTERIZACION DE PRODUCTO E INSUMOs
5.1. PRODUCTO PRINCIPAL: FORMALDEHIDO Fórmula: HCHO Fórmula Molecular: El Formaldehído puro a temperatura y presión ambiente es un gas incoloro de olor fuerte e irritante. A temperaturas menores de -20 °C es un líquido transparente e incoloro. Es irritante para los ojos y el tracto respiratorio aun a bajas concentraciones (1ppm) sensación de ardor a mayoresy concentraciones; los vaporescausando de soluciones de Formaldehído son inflamables explosivos. El Formaldehído es un producto metabólico importante en plantas y animales y por ello está presente en el medio ambiente de forma natural en bajas concentraciones. También se genera en el medio ambiente por combustión incompleta de material orgánico como combustibles líquidos o gaseosos derivados del petróleo.
Propiedades físicas y químicas del Formaldehido
Tabla 1. Propiedades físicas del formaldehido FUENTE: Ministerio de medio ambiente 12
El Formaldehído es una sustancia muy reactiva, pudiendo aun reaccionar consigo misma a través de un proceso de autopolimerización para generar paraFormaldehído. Se descompone por acción del calor. A temperaturas mayores de 150 °C se descompone en Dióxido de Carbono y Metanol. Este proceso de degradación también se lleva a cabo en presencia de luz solar, donde sufre oxidación hasta Dióxido de Carbono. Es muy inflamable y forma mezclas explosivas en el aire en el intervalo de 7% a 73% en volumen a 25 °C. Reacciona con rapidez al entrar en contacto con agentes oxidantes fuertes, álcalis, ácidos, fenoles y urea. El Formaldehído es soluble en agua, alcoholes y otros solventes polares. En soluciones acuosas el Formaldehído se hidroliza y polimeriza y puede existir como metilenglicol, polioximetileno y otros compuestos. Las soluciones de Formaldehído en concentraciones mayores del 30% se enturbian debido a la precipitación de los polímeros del Formaldehído, esto se evita adicionando estabilizantes como Metanol a la solución o manteniéndola a temperatura mayor de 100 °C.
CALIDADES En estado gaseoso puro el Formaldehído tiende a polimerizar y por ello no se comercializa en forma pura; su almacenamiento y transporte se realiza en forma de soluciones en agua y Metanol. Las formas comerciales de estas soluciones, conocidas como formalinas, corresponden a entre 30% y 40% de Formaldehído y 15% de Metanol como agente estabilizante. Otros agentes estabilizantes pueden estar presentes hasta en 100 mg/l. Otra presentación comercial del Formaldehído corresponde a su forma sólida en dos tipos de productos, el trioxano [(CH2O)3] y el paraFormaldehído que es la forma polimerizada del Formaldehído de entre 8 y 100 unidades.
Composición de Formaldehído comercial en solución acuosa: Componente Agua Formaldehido Metanol
Contenido
Peligroso
48 53–%
No
37 % 10 17–%
Si Si
TRANSPORTE La forma de transporte más común de soluciones de Formaldehído se da en contenedores de acero inoxidable, Aluminio, contenedores con recubrimiento de esmalte o resinas de poliéster. 13
ALMACENAMIENTO Las características de las soluciones de formalina son muy dependientes de la temperatura y teniendo en cuenta las necesidades específicas se debe almacenar a una temperatura específica. Se requieren lugares de almacenamientos bien ventilados y secos. Lejos de fuentes de ignición y de la acción directa de los rayos solares. El área de almacenamiento de Formaldehído debe estar lo más separada posible de sus materiales incompatibles. Rotular los recipientes adecuadamente. Evitar el deterioro de los contenedores. Mantenerlos cerrados cuando no están en uso. Almacenar las menores cantidades posibles. Los contenedores vacíos deben ser separados. Inspeccionar regularmente la bodega para detectar posibles fugas o corrosión. El almacenamiento debe estar retirado de áreas de trabajo. Los recipientes deberán estar protegidos contra daños físicos y no se almacenarán junto con otras sustancias combustibles ni con oxidantes. El formaldehido puede reaccionar con el cloruro de hidrógeno para formar bisclorometil éter, sustancia que es cancerígena. Todo derrame del producto deberá ser inmediatamente recogido.
Requisitos que deben cumplir las bodegas o almacenes Nunca se almacenarán juntos bidones llenos de formol con otros vacíos que lo hayan contenido. Las estructuras o locales utilizados para el almacenaje de formol estarán construidas con materiales incombustibles y dotados de muy buena ventilación natural. Estarán aislados del resto de las instalaciones, ya sea en local aparte o mediante aislamiento del resto del edificio con paredes, techos y pisos incombustibles. El pavimento será impermeable, con un pequeño declive hacia una canaleta estanca para impedir la salida al exterior de un eventual derrame del producto y facilitar su pronta recogida y limpieza. El aislamiento térmico con el exterior garantizará un ambiente fresco. En el interior del recinto no existirá posibilidad alguna de que produzcan chispas, calentamientos o focos de ignición. Los interruptores, mandos eléctricos, cables y en general toda la instalación eléctrica estará situada en el exterior y será de seguridad aumentada.
La iluminación será situadas por luz en natural. Si no posible se realizará pora lámparas eléctricas el exterior delfuera recinto, iluminando el interior través de claraboyas estancas. 14
El recinto contará con dos puertas de salida que abrirán hacia afuera y separadas lo más posible una de otra. En la parte exterior de las puertas de salida existirán equipos de respiración autónomos dispuestos para su uso en caso de emergencia. Tanto en el interior del recinto, como en sus inmediaciones existirá rigurosa prohibición de fumar. Los tanques de almacenamiento al aire libre serán recipientes cerrados con un respiradero que impida que se eleve en forma peligrosa la presión en su interior.
Recipientes de almacenamiento El formol debe ser almacenado en depósitos o bidones de acero inoxidable o de metal recubierto con un material inatacable o en bidones o tambores de polietileno. Para pequeñas cantidades pueden usarse frascos de vidrio. Los recipientes se almacenarán siempre con la boca hacia arriba, sus tapones estarán herméticos y se colocarán de forma que permitan fácil acceso a todas las zonas del recinto y su evacuación en caso de peligro.
5.2. METANOL (INSUMO)
Fórmula: CH3OH Estructura Molecular: El Metanol es un líquido incoloro, volátil e inflamable con un ligero olor alcohólico en estado puro. Es un líquido altamente venenoso y nocivo para la salud. Es miscible en agua, alcoholes, esteres, cetonas y muchos otros solventes; además, forma muchas mezclas azeotrópicas binarias. Es poco soluble en grasas y aceites. El metanol es un elemento químico básico utilizado en la fabricación de cientos de productos que afectan nuestras vidas diarias: desde pinturas, plásticos, muebles y alfombras, hasta piezas de automóviles y líquido limpiador de parabrisas. El metanol también es una fuente de energía emergente para el funcionamiento de coches, camiones, autobuses e incluso turbinas de energía eléctrica. La industria del metanol se extiende por todo el mundo. Su producción se lleva a cabo en Asia, América del Norte y del Sur, Europa, África y Oriente Medio. Hay más de 90 plantas de metanol en todo el mundo con una capacidad de producción total de más de 75 millones de toneladas métricas (casi 90.000 millones de litros o 15
24.000 millones de galones). Cada día se utilizan más de 100.000 toneladas de metanol como materia prima química o como combustible para el transporte (125 millones de litros o 33 millones de galones) La industria global del metanol genera 36.000 millones de dólares de EE.UU en actividad económica cada año, y crea más de 100.000 puestos de trabajo en todo el mundo. Este alcohol simple se puede obtener a partir de casi cualquier planta o cualquier cosa que haya sido en algún momento una planta. Esto incluye los combustibles fósiles comunes (como el gas natural y carbón) y los recursos renovables como la biomasa, biogases de vertedero, e incluso emisiones de centrales de energía o el CO2 de la atmósfera. Con esta diversidad de materias primas para la producción y la variedad de aplicaciones, no es de extrañar que el metanol haya sido uno de los productos químicos industriales más utilizados del mundo desde el siglo XIX.
CALIDADES El Metanol está disponible comercialmente en varios grados de pureza: 1. Síntesis, (corresponde al Metanol comercial normal). 2. De calidad analítica certificada. 3. En condiciones de extremada pureza para manufactura de semiconductores. Las principales impurezas que se pueden encontrar en el Metanol corresponden a sustancias como acetona, acetaldehído, ácido acético y agua.
PROPIEDADES FISICAS DEL METANOL PROPIEDAD VALOR 32,04 Peso Molecular (g/mol) 67,4; 760 mmHg Punto de Ebullición (ºC) Punto de Fusión (ºC) -97,8 Presión de Vapor (mmHg) 92; 20 ºC 126; 25ºC 160; 30 ºC 0.7915; 20/4 °C Gravedad Específica (Agua = 1) 0.7866; 25 °C Densidad del Vapor (Aire = 1) 1,11 Solubilidad en agua Miscible Temperatura de Auto Ignición (ºC) 470 Punto de Inflamación (ºC) 15,6; copa abierta 12,2; copa cerrada pH
NO ENCONTRADO
Tabla 2. Propiedades físicas del metanol FUENTE: Ministerio de medio ambiente 16
PROPIEDADES QUÍMICAS El Metanol presenta reacciones que son típicas para alcoholes de su clase. Las reacciones de particular importancia en la industria son principalmente des hidrogenación y des hidrogenación oxidativa sobre óxido de Plata o MolibdenoHierro para la producción de Formaldehído; la reacción con Isobutileno usando catalizadores ácidos, para formar metil tertiaril butil éter (MTBE); carbonación a ácido acético usando como catalizador Cobalto o Rodio; esterificación con ácidos orgánicos y derivados ácidos; eterificación; adición a enlaces no saturados y reemplazo del grupo hidroxilo. El Metanol líquido y sus vapores son sustancias muy inflamables y que al contacto con el aire pueden llegar a ser explosivas. Esto representa un problema de seguridad potencialmente grande. Se debe tener especial cuidado, ya que el Metanol ataca cierto tipo de plásticos, cauchos y revestimientos. Puede reaccionar con aluminio metálico a altas temperaturas
PRODUCCIÒN La fuente de Metanol importante más antigua (alcohol de madera) es la destilación seca de madera a 350°C, que fue empleada de 1830 a 1930 aproximadamente. En los países en los cuales la madera es abundante y los productos de madera constituyen una industria muy importante, el Metanol aún se obtiene por medio de este procedimiento. Sin embargo, el Metanol obtenido de la madera contiene más contaminantes, principalmente acetona, ácido acético y alcohol alílico, que el Metanol de grado químico actualmente disponible. El Metanol se obtenía también como producto de la oxidación no catalítica de hidrocarburos (un procedimiento descontinuado en USA en 1973), y como un subproducto de la síntesis de Fischer-Tropsch, la cual ya no tiene importancia industrial. La moderna producción industrial a escala de Metanol está basada exclusivamente en la conversión catalítica de gases de síntesis presurizados (Hidrogeno, Monóxido y Dióxido de Carbono) en presencia de catalizadores metálicos heterogéneos. Todos los materiales carbonáceos como coque, gas natural, petróleo y fracciones obtenidas del petróleo (asfalto, gasolina, compuestos gaseosos) se pueden emplear como materias primas para la producción de gases de síntesis. La presión de síntesis requerida depende de la actividad del catalizador metálico empleado, los catalizadores de cobre, óxido de zinc y alúmina son los más efectivos en las plantas industriales de Metanol. Estos catalizadores permiten la 17
síntesis del producto con una alta selectividad, la mayoría de las veces por encima del 99%, referida a la adición de COx. Las siguientes impurezas son importantes en la producción de Metanol a gran escala: 1. Formación de alcoholes pesados obtenidos a partir de catalizadores con trazas de álcali. 2. Hidrocarburos obtenidos usando catalizadores con contenido de hierro, cobalto y níquel, de acuerdo al proceso de Fischer-Tropsch. 3. Ésteres. 4. Dimetil éter.
5. Cetonas. Casi todo el Metanol producido en países industrializados como Estados Unidos se obtiene a partir de gas natural. Una pequeña cantidad de Metanol se obtiene como subproducto de la oxidación de butano en la producción de ácido acético y de la destilación destructiva de madera para la producción de carbón vegetal.
ALMACENAMIENTO El metanol anhidro puro es ligeramente corrosivo para aleaciones de plomo y aluminio, y mucho más para el magnesio y el platino. Con ello no se quiere decir que las aleaciones de aluminio no sean adecuadas para servicio de metanol, sino más bien se quiere alertar a los usuarios sobre la necesidad de realizar inspecciones periódicas y pruebas no destructivas. La identificación positiva de materiales, la inspección y las pruebas no destructivas son fundamentales para determinar la idoneidad de un servicio continuo y adecuado. Esto se aplica a todos los materiales que hagan contacto con áreas a presión en todos los servicios químicos, entre ellos el metanol. La forma de ataque a las aleaciones de aluminio suele ser una forma lenta de corrosión por picaduras, pero puede acelerarse hasta el punto de poner en riesgo la integridad de los componentes estructurales si no se prevé o se vigila. Las soluciones de metanol en agua pueden ser corrosivas para algunas aleaciones no ferrosas, dependiendo de la aplicación y las circunstancias del medio ambiente. Esta precaución se aplica a equipos fabricados con aleaciones de cobre, acero galvanizado y componentes de aleaciones de aluminio y algunos plásticos y compuestos. Los recubrimientos de cobre (y las aleaciones de cobre), cinc (incluso el acero galvanizado) y el aluminio muestran una degradación corrosiva de varios tipos y a varias velocidades, dependiendo de las circunstancias que acompañen a la aplicación. En general, el ataque corrosivo de componentes estructurales (como techos flotantes de aleación de aluminio en tanques de almacenamiento) es lento; se requiere realizar inspecciones visuales periódicas y 18
pruebas no destructivas para verificar que puedan seguir dando servicio continuo y adecuado. Lo mismo puede decirse de los materiales de los tubos de intercambiadores de calor, componentes de bombas, elementos internos de válvulas y elementos sensores en contacto directo con el metanol. Normalmente se selecciona acero dulce (de bajo contenido de carbono) como material de construcción, siempre y cuando se excluya la humedad del sistema. Si se espera que haya humedad y trazas de sales inorgánicas dentro del sistema de vez en cuando, entonces se debe considerar cambiar el acero al carbono a acero inoxidable 316 L, o incluso a acero inoxidable 316 L de grado estabilizado con titanio o molibdeno. En presencia de humedad y sales inorgánicas, el problema es la corrosión dentro de las zonas afectadas por el calor de la soldadura. La integridad de la soldadura puede convertirse en un problema. Las prácticas óptimas emplean acero inoxidable de la serie 300, de bajo contenido en carbono y estabilizado con molibdeno. Aunque costoso, este material ofrece protección contra la corrosión generalizada, la corrosión por picaduras, el agrietamiento debido a corrosión bajo tensión, el agrietamiento inducido por hidrógeno y la contaminación del producto. Normalmente se selecciona acero dulce (de bajo contenido de carbono) como material para tuberías. Las conexiones de tuberías se hacen con rebordes soldados y con juntas compatibles con metanol. Las conexiones roscadas no se consideran adecuadas para el servicio de metanol. No se deben usar materiales no ferrosos para fabricar sistemas permanentes de tuberías. Se recomienda que los lugares de almacenamiento subterráneo, las tuberías enterradas y las tuberías subterráneas estén protegidos mediante un sistema de protección catódica y que sean inspeccionados de forma regular.
Almacenamiento en Pequeña Escala Pequeñas cantidades de Metanol para uso industrial y de laboratorio se almacenan en botellas de vidrio o en latas de metal; cantidades superiores a 200 litros se transportan y almacenan en tanques de acero. Algunos tipos de botellas plásticas y contenedores no se pueden usar debidos a su permeabilidad y al peligro de disolución de los plastificantes. El polietileno de alta densidad y el propileno son adecuados, aunque el poli cloruro de vinilo y las poliamidas no lo son.
Almacenamiento a Gran Escala Grandes cantidades de Metanol se almacenan en tanques diseñados de la misma forma que los utilizados en el almacenamiento de productos de petróleo; normalmente se utilizan tanques cilíndricos con capacidades desde cientos de 19
metros cúbicos hasta de más 100.000 m3. para tanques de techo fijo, se deben adoptar medidas especiales, (por ejemplo atmósfera de nitrógeno) para prevenir la formación de una atmósfera de ignición en el espacio comprendido sobre la superficie del líquido. Pueden ocurrir emisiones de Metanol debido a las fluctuaciones de la superficie. Para prevenir esos problemas, los tanques de gran dimensión son provistos de techos flotantes; sé debe prestar especial atención para evitar la entrada al tanque de agua proveniente de la lluvia. Para tanques libres de anhídrido y dióxido de carbono, pueden construirse tubería y bombas de acero de grado normal; los sellos pueden ser de fibras minerales, grafito y metal.
TRANSPORTE En todas las etapas del transporte y de la distribución, el metanol se debe almacenar con seguridad y manejar responsablemente. Esto reduce al mínimo el riesgo para la población y para el medio ambiente, y preserva la calidad del producto. Los modos más comunes del transporte a granel del metanol por todo el mundo son por: navío, lancha a remolque, ferrocarril, camión y gasoductos.
Transporte transoceánico El metanol se bombea de tanques de almacenamiento en el muelle a las bodegas de carga selladas de buques tanque. La entrega a los tanques de almacenamiento en los muelles puede hacerse por tubería, barcaza, ferrocarril o camión.
El transporte transoceánico es similar al de otros hidrocarburos líquidos como petróleo crudo, gasolina, diesel y aditivos de combustible como el MTBE. Los transportistas usan comúnmente embarcaciones o recipientes de doble casco y es muy probable que estos se conviertan en la norma a medida que aumente la producción mundial. Entre las disposiciones especiales para el envío en barcos cisterna se encuentran las siguientes: limpieza (para no contaminar el metanol), detección de fugas de metanol, equipos apropiados para combatir incendios (incluidas espumas resistentes al alcohol) y bombas, tuberías, mangueras y empaquetaduras adecuadas para el servicio del metanol. Se deben evitar derrames accidentales de metanol en el océano, si bien se considera que presentan menor riesgo para el medio ambiente que las de otros materiales como petróleo crudo, combustible para calderas, gasolina o diesel. El metanol puro (100%) se solubiliza en agua con rapidez y por completo. La dilución reduce la concentración dekilómetros, metanol a un nivel no paradela vida en una distancia menor que 1,5 incluso entóxico el caso fugasmarina catastróficas mayores. 20
Transporte por ferrocarril Las precauciones para el transporte por ferrocarril son muy similares a las que se aplican para el etanol, la gasolina, el MTBE, el combustible de aviación (queroseno) y los destilados. Esto incluye la conexión a tierra para su protección contra descargas estáticas.
Hay vagones cisterna especialmente diseñados que están dotados de equipos para aliviar la presión y adaptarse así a la expansión térmica durante el tránsito y el almacenamiento temporal (menos de 30 días) durante las maniobras y los tiempos de retención. El transporte por ferrocarril se considera seguro, siempre y cuando el metanol esté contenido dentro de un vagón cisterna vertical.
Transporte en camiones cisterna Los comentarios relacionados con los vagones cisterna se aplican por igual a camiones tractores de transporte y remolques cisterna remolcados por camiones tractores. El transporte de metanol en camiones cisterna está básicamente sujeto a las mismas precauciones que se aplican de forma rutinaria al transporte de gasolina.
CLIENTES Para determinar los potenciales clientes y las áreas de influencia del mercado, se tuvo en cuenta los principales usos del formaldehido. El Formaldehído interviene en seis tipos de reacciones principales, debido a esto la cantidad de aplicaciones industriales es amplia. A continuación se muestra en resumen los productos obtenidos de cada una de ellas 1. Descomposición: Según las condiciones a las que se trabaje se puede obtener dióxido de carbono y metanol; monóxido de carbono e hidrógeno. o metanol, formato de metilo, ácido fórmico y metano. 2. Polimerización: Da como resultado paraFormaldehído en fase gaseosa y polioximetilenos en solución con agua. 3. Reducción: y oxidación: Se puede reducir a metanol con hidrógeno y oxidarse hasta ácido fórmico o dióxido de carbono y agua. 4. Adición: Se convierte el Formaldehído en una mezcla de hexosas. 5. Condensación: Con grupos amino se producen metil-aminas. Con Amoniaco produce hexametilentetramina, con cloruro de amonio forma mono, di y 21
trimetilamina y ácido fórmico dependiendo las condiciones de reacción. También reacciona con muchas sustancias generando grupos metilol (CH2OH). En otros casos se producen difenilmetanos de los que luego se obtienen las hidracinas, hidrazonas y semicarbazonas 6. Formación de resinas: Con urea, melamina, uretanos, amidas, amidas aromáticas sulfonadas y fenoles, el formaldehido produce una gran cantidad de resinas. La fabricación de resinas es la industria en la que consume la mayor parte del formaldehido producido. En la figura a continuación se pueden apreciar más claramente los usos del formaldehido, se puede observar como los productos de todas las anteriores reacciones están involucrados en productos de uso cotidiano.
http://www.fcanz.com/page3.htm
22
Las resinas de urea-formaldehido se usan en el tratamiento de papeles y textiles, en compuestos de moldeo, en recubrimientos para superficies y en espumas. Las resinas fenólicas se empelan en aislamientos y en adhesivos para la madera. La hexametilentetramina se usa en resinas fenólicas termoestables, en agentes de curado para resinas y en explosivos. El trimetilolpropano se usa en la fabricación de uretanos, de lubricantes, de resinas alquidicas y de acrilatos multifuncionales. El 1,4-butanodiol se usa en la generación de tetrahidrofurano, de butirolactona y de polibutentereftalato. El pentaeritritol se usa en la fabricación de resinas alquidicas, de lubricantes sintéticos y en explosivos. Otros usos de las resinas generadas a partir de Formaldehído incluyen la manufactura de artefactos para usos eléctricos como interruptores, tomacorrientes y en partes de motores eléctricos. Otras industrias, se valen de las propiedades insecticidas, germicidas y funguicidas del Formaldehído como la de los detergentes y agentes de limpieza industrial donde se usa como preservante en jabones, detergentes y agentes de limpieza. En la industria de los cosméticos se usa como preservativo en jabones, desodorantes, champús y en productos para la higiene oral. En la industria azucarera se usa como inhibidor de crecimiento bacteriano en los jugos de caña. En la medicina se usa para la desinfección y esterilización de equipo médico y en preparaciones de preservación de tejidos. Se usa como biocida y agente auxiliar de refinado en la industria del petróleo. La industria agrícola lo usa en la preservación de granos, desinfección del suelo, protección de las raíces de plantas contra infecciones y como protección de como proteína dietaria en para rumiantes. En los alimentos tiene aplicación preservante de alimentos alimentos secos y en la preservación de pescados, aceites y grasas. En el siguiente diagrama se resumen los principales usos y sectores del mercado involucrados:
23
6. MERCADO COMPETIDOR La producción mundial anual de formaldehido es de aproximadamente 21millones de toneladas. Mediante un análisis externo se pretende determinar cuál sería la situación del proyecto en el mercado, por eso a continuación se fijan las oportunidades y amenazas a las que estaría expuesto nuestro proyecto.
6.1. PUNTOS FUERTES Amplia demanda, existen diferentes sectores en los que se podría incursionar.
El precio de la materia prima es estable en el mercado. Poca oferta actual del producto, pocos competidores. La disponibilidad de información sobre la tecnología del proceso y posibles mejoras. El producto es un producto intermedio
6.2. PUNTOS DÉBILES La cantidad de proveedores disponibles es limitada. La importación de la materia prima principal: metanol. La disponibilidad de la materia prima: el principal uso del metanol en Colombia es la producción de biocombustibles La manipulación del producto, tiene restricciones por toxicidad. Se concluye que en el proyecto pesan más las oportunidades que las amenazas, la principal fortaleza es la amplia y diversa demanda del producto en el mercado y la principal debilidad tiene que ver con la obtención de la materia prima.
24
ESTUDIO TECNICO 7. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO El proceso de producción de Formaldehido es obtenido a través de 3 etapas descritas de la siguiente manera:
R O D A L I T S E D
Fig.5 Diagrama de Bloques del Proceso para la producción de formaldehido FUENTE: Autores
25
El diagrama de bloques de proceso es una herramienta fundamental que ayuda a leer y comprender con mayor facilidad el cómo producir formaldehido y la labor que desempeñan los equipos con respecto a sus aportes en el proceso. Como primera medida se puede notar como la corriente 2 (materia prima fresca) se encuentra con la corriente 15 (reciclo de materia prima recuperado en el destilado de la torre de destilación) para formar la corriente 3 a 35,4 °C y 14,7 psia, que mediante la bomba de presión P-101, elevará dicha presión a 35 psia obteniendo la corriente 4 que posteriormente será alimentada a un vaporizador que facilitará la reacción elevando la temperatura hasta 150 °C. Al mismo tiempo, el aire (que circula por la corriente 1) a 25 °C y 14,7 psia., Atraviesa el compresor C-101, elevando éste la presión del aire hasta 35 psia., (la misma presión que la corriente 4). La corriente 4 es calentada a 150°C en el intercambiador de calor E-101 (formando la corriente 6) y la corriente 5 que sale del compresor también se calienta a la misma temperatura (150°C) mediante vapor de presión en el E-102 (obteniendo la corriente 7) para luego, a 29 psia de presión y gracias a un mezclador de corrientes exista un contacto más íntimo las corrientes 6 y 7 en la salida del mezclador y den como resultado la corriente 8. La corriente 8 está lista para entrar al reactor PFR-101 en el que gracias a alta temperatura, el catalizador (óxido de plata) cumplirá su función convirtiendo el 87,3% del metanol que ingresa a formaldehído. En el fondo del reactor se obtiene la corriente 9 (metanol, agua y formaldehído) a 343°C y 25 psia. El siguiente paso es alimentar la corriente 9 a la torre de absorción T-101, para ello la corriente 9 debe ingresar a una válvula que baja su presión hasta 5 psia, obteniendo así la corriente 10 lista para alimentarse a la torre de absorción que en contracorriente con agua fresca (corriente 11 que ingresa por la parte superior de la torre) recuperará el 99% del formaldehído que entra. La corriente de fondo (corriente 13) se va a procesar a través de una torre de destilación T-102, para esto la corriente de fondo debe calentarse a 102°C gracias al intercambiador de calor E-103, obteniendo entonces la corriente 14 lista para entrar a T-102. Esta columna de destilación recupera el 37,5% en peso de solución de formaldehído en 26
agua, siendo esta mezcla la corriente de fondo de T-102 o corriente 16, mientras que la corriente 15 es el metanol a 68,3°C y 16 psia que se recupera en el destilado y se recircula al comienzo del proceso para mezclarse con metanol fresco y ahorrar en lo que a materia prima se refiere. La corriente 16 entra a P-103 y eleva su presión, convirtiéndose en corriente 17. La corriente 18 es agua desionizada que se mezclara con la corriente 17 para alcanzar la composición de 37% peso de formaldehído en agua y tener la condiciones de almacenamiento requerido. La corriente 19 (mezcla de corriente 17 y 18) es el producto final y va a ajustarse su temperatura hasta que esté en el rango entre 35°C y 45°C, pues a altas temperaturas, la polimerización indeseable del formaldehído es inhibido pero la formación de ácido fórmico es favorecida. A bajas temperaturas, la formación de ácido es inhibido pero la polimerización es favorecida, por eso es tan importante manejar este rango para el almacenamiento del producto. De esta manera se obtiene el producto final en la corriente 20, que se supone ya está en condiciones óptimas de almacenamiento.
8. DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL PROCESO Basados en el anterior diagrama general del proceso se plantea realizar la simulación del proceso de producción de Formaldehido mediante la utilización del software ASPEN HYSYS. En la figura 2 se presenta el diagrama PFD donde se presenta una visión más detallada de las condiciones de operación tanto de los equipos como de las corrientes de entrada y salida que intervienen en el proceso productivo.
27
8.1. DIAGRAMA PDF
Fig. 6 Diagrama PFD Proceso para la producción de Formaldehido. Simulación en Aspen HYSYS. FUENTE: Autores 28
AREA DE ALIMENTACIÓN Se tiene una alimentación fresca en la corriente 1 de 74 Kmol/hr de aire a 25 ºC y 14.7 psia que es llevada a un compresor C-101 Donde se eleva la presión a 35 psia. Otra alimentación fresca de 28.36 Kmol/hr de metanol en la corriente 2 a 30 ºC y 14.7 psia se mezcla con la corriente de reciclado a 68.3 ºC y 16 psia que contiene 4.077 mol/hr de metanol y 0.4362 Kmol/hr de agua, para obtener la corriente 3 que contiene 32.42 Kmol/hr de metanol y 0.4337 Kmol/hr de agua a 35.5 ºC y 14.7 psia, que es luego bombeada en P-101 hasta 35 psia.
Figura 7: Área de alimentación
AREA DE CALENTAMIENTO La corriente 5 de aire que sale del compresor es calentada con vapor de presión donde se eleva la temperatura y se obtiene una corriente 7 a 150 ºC. La corriente 4 de metanol y agua entran a un intercambiador de calor donde el metanol es vaporizado obteniéndose una corriente 5 a 150 ºC y 29 psia. La corriente 6 de metanol y agua se mezcla con la corriente 7 de aire puro para obtener una corriente 8 a 149.6 ºC y 28 psia de 32.42 Kmol/hr de metanol, 0.4337 Kmol/hr de agua y 74 Kmol/hr de aire.
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Figura 8: Área de Calentamiento
AREA DE REACCION La corriente 8 es alimentada a un reactor donde convierte el 87.4% de metanol. La salida del reactor es la corriente 9 que sale a 343 ºC y lleva 4.085 Kmol/hr de metanol, 28.3356 Kmol/hr de formaldehido, 25.93776 Kmol/hr de agua, 48 Kmol/hr de nitrógeno y 2.833 Kmol/hr de hidrogeno. Esta corriente pasa luego por una valvula para obtener la corriente 10 donde se baja la presión de la corriente hasta 5 psia
Figura 9: Área de Reacción
AREA DE SEPARACION La corriente 10 es alimentada a un absorbedor T-101 donde se extrae el 99% del formaldehido que entra, con una corriente fresca de agua a 30 ºC y 20 psia. Por el 30
tope del absorbedor sale una corriente 12 con 0.283 Kmol/hr de formaldehido, 42.892 Kmol/hr de agua, 2.833 Kmol/hr de hidrogeno y 48 Kmol/hr de nitrógeno. La corriente 13 que sale por el fondo del absorbedor contiene 4.085 Kmol/hr de metanol, 28.052 Kmol/hr de formaldehido y 43.589 Kmol/hr de agua. Esta corriente pasa luego por un intercambiador de calor donde se eleva la temperatura hasta 102 ºC; siendo esta la corriente 14. La corriente 14 es luego alimentada a una columna de destilación T-102 donde la mayoría del metanol es recuperado en el destilado. La corriente 15 del destilado contiene 4.0771 Kmol/hr de metanol y 0.4362 Kmol/hr de agua que es reciclado de regreso para unirse con la alimentación fresca de metanol. La corriente 16 que sale del destilador es la 16 que sale con 0.011233 Kmol/hr de metanol, 28.0195 Kmol/hr de formaldehido y 43,1833 Kmol/hr de agua.
Figura 10: Área de Separación
AREA DE ADECUACION La corriente 16 es bombeada por P-103 a 38.5 psia para el almacenamiento. A esta corriente, se une una nueva corriente 18 de agua desionizada a 30 ºC para formar una corriente 19 con 37% en peso en solución del formaldehido en agua. Esta corriente contiene ahora 0.01233 Kmol/hr de matanol, 28.0195 Kmol/hr de formaldehido y 79.3863 Kmol/hr de agua.
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Figura 11: Área de Adecuación
AREA DE ALMACENAMIENTO El tanque de almacenamiento debe mantenerse a una temperatura entre los 35 y 25 ºC .
Figura 12: Área de Almacenamiento
8.2. CONDICIONES DE OPERACIÓN DE FLUJOS DE MASA Y ENERGÍA DEL PROCESO La simulación de la producción de Formaldehido está compuesta por 24 corrientes pertenecientes a entrada, salida y reciclo de los insumos y productos en el sistema de producción y 19 equipos interconectados entre sí. Las diferentes corrientes se identifican con sus composiciones, condiciones de temperatura y presión, flujo másico en el ANEXO 1 EXCEL-Condiciones de operación de flujos de proceso. A continuación se señalan las condiciones generales de las principales corrientes en el proceso para la obtención de formaldehido, sin embargo en detalle se citan en ANEXO 2-Flujo de materia y energía. 32
CONDICIONES DE OPERACIÓN PARA LAS CORRIENTES DE MASA DEL PROCESO Co r r i e n t e
T e m p e r a t u r a [ °C ]
P r e si ó n [ k P a ]
Fracción de Flujo másico [kg/h] vapor
1 Aire
25
101, 3
1
5285
2 Metanol Fresco
25
101, 3
0
2756
25, 1
304
0
2756
15,83
101, 3
0, 0029
2908
168, 9
303, 9
1
5285
150
303, 9
1
5285
150
99, 46
1
2908
150
99,46
1
8194
343
99, 46
1
8194
180
101, 3
1
8194
25
101, 3
0
40710
62, 2
101, 3
0, 9998
4120
61, 97
101, 3
0
44790
102
120
0
44790
- 160, 9
101, 3
0, 0499
4
22
5
7
6
8
a
9
11 Agua
12
13
14
15a
33
152, 2
Fracción másica C H 3O H H 2O HC HO N i t ro ge n o O x i ge n o C H 3O H H 2O HC HO N i t ro ge n o O x i ge n o C H 3O H H 2O HC HO N i t ro ge n o O x i ge n o C H 3O H H 2O HC HO N i t ro ge n o O x i ge n o C H 3O H H 2O HC HO N i t ro ge n o O x i ge n o C H 3O H H 2O HC HO N i t ro ge n o O x i ge n o C H 3O H H 2O HC HO N i t ro ge n o O x i ge n o C H 3O H H 2O HC HO N i t ro ge n o O x i ge n o C H 3O H H 2O
0 0 0 0, 79 0, 21 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0, 9968 0, 0005 0 0, 0026 0 0 0 0 0, 79 0, 21 0 0 0 0, 79 0, 21 0, 9968 0, 0005 0 0, 0026 0 0, 3304 0, 0002 0 0, 5290 0 0, 0435 0, 2464
HC HO N i t ro ge n o O x i ge n o C H 3O H H 2O HC HO N i t ro ge n o O x i ge n o C H 3O H H 2O HC HO N i t ro ge n o O x i ge n o C H 3O H H 2O HC HO N i t ro ge n o O x i ge n o C H 3O H H 2O HC HO N i t ro ge n o O x i ge n o C H 3O H H 2O HC HO N i t ro ge n o O x i ge n o C H 3O H H 2O HC HO N i t ro ge n o O x i ge n o
0, 2462 0, 4639 0 0, 0435 0, 2464 0, 2462 0, 4639 0 0 1 0 0 0 0, 0111 0, 0051 0 0, 9839 0 0, 0049 0, 9632 0, 0317 0, 0001 0 0, 0049 0, 9632 0, 0317 0, 0001 0 0, 9398 0, 0103 0 0, 0499 0
- 160, 8
101, 3
0, 05
152, 1
166, 7
101, 3
0
44810
166, 7
120
0
44810
30
101, 3
0
180, 2
166, 2
101, 3
0
44990
20 Formaldehido 37%
25
100
0
44990
21 Formaldehido 37%
25
101, 3
0
44990
U1
210
304
1
66400
U2
180
296, 1
1
66400
15
16
17
18 Agua
19
C H3OH H2O HCHO N i t r o ge n o Ox i g e n o C H3OH H2O HCHO N i t r o ge n o Ox i g e n o C H3OH H2O HCHO N i t r o ge n o Ox i g e n o C H3OH H2O HCHO N i t r o ge n o Ox i g e n o C H3OH H2O HCHO N i t r o ge n o Ox i g e n o C H3OH H2O HCHO N i t r o ge n o Ox i g e n o C H3OH H2O HCHO N i t r o ge n o Ox i g e n o C H3OH H2O HCHO N i t r o ge n o Ox i g e n o C H3OH H2O HCHO
4, 5081 0, 0496 0 0, 2397 0 0, 0053 0, 9594 0, 0353 0 0 0, 0092 0, 9336 0, 0573 0 0 0 1 0 0 0 0, 0053 0, 9596 0, 0352 0 0 0, 0053 0, 9596 0, 0352 0 0 - 0, 0910 - 0, 1880 - 0, 2850 - 0, 382051879 - 0, 479060525 0 1 0 0 0 0 1 0
N i t r o ge n o Ox i g e n o
0 0
Tabla 3. Condiciones de las principales corrientes de flujo en la producción de Formaldehido CONDICIONES DE OPERACIÓN PARA LAS CORRIENTES DE ENERGÍA DEL PROCESO CORRIENTE
TIPO DE UTILIDAD
FLUO DE ENERGIA [kJ/h]
E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 QC QB
Trabajo de la bomba P- 101 Trabajo del compresor C-101 Sistema de calentamiento E-102 Calor del reactor PFR-100 Sistema de enfriamiento E-100 Sistema de calentamiento E-103 Trabajo de la bomba P- 103 Sistema de enfriamiento E-106 Trabajo de la bomba P- 104 Calor del Condensador T-102 Calor del Rehervidor T-102
947,5 780.199,2 -103.789,9 9.696.387,2 1.871.025,8 7.462.214,2 1.297,8 26.382.334,1 80,7 834.836,5 12.726.453,6
Tabla 4. Condiciones de las principales corrientes de flujo en la producción de Formaldehido 34
8.3. MATRIZ DE CONDICIONES ESPECIALES DE PROCESOS Dentro del proceso productivo, es necesario manejar algunos equipos en ciertas condiciones especiales, como presión y temperatura. En la tabla 3 se relacionan los equipos que operan en condiciones especiales, y posteriormente se presentan las justificaciones a cada dato marcado. CONDICIONES ESPECIALES DEL PROCESO
Equipo
Compresor C-101 Mezclador 1 MIX-101 Mezclador 2 MIX-102 Mezclador 3 MIX-103 Reactor PFR-100 Intercambiador de calor 1 E-102 Intercambiador de calor 2 E-101 Intercambiador de calor 3 E-100 Intercambiador de calor 4 E-103 Intercambiador de calor 5 E-106 Torre de Absorcion T-101 Torre de Destilacion T-102 Bomba 1 P-101 Bomba 2 P-103 Bomba 3 P-104 Tanque de almacenamiento 1 V-100 Tanque de almacenamiento 2 V-101 Tanque de almacenamiento 3 V-102 Tanque de almacenamiento 4 V-103
T
T
l ta A
ja a B
P
P ta l A
ja a B
o c rit é o m i N o u q e t s E
n ó i c a l e R
n ió s rp e m o C
M L T ∆
P ∆ ta l A
T ∆ tl o A
X
X X X
Tabla 5. Condiciones especiales de proceso Justificaciones -La serie de bombas necesitan alta caída de presión para impulsar el Metanol al reactor y el formaldehido a los tanques de almacenamiento. -El Reactor PFR requiere de temperaturas altas para el proceso eficiente de oxidación del metanol para la producción de formaldehido y agua. La reacción que se produce gracias a los catalizadores de óxidos de hierro-molibdeno a temperaturas superiores a 180oC, estando la temperatura óptima para la reacción en el rango de 270-330oC. - Los demás equipos trabajan dentro de las condiciones límite. HERRAMIENTA DE CÁLCULO Y MÉTODO DE DISEÑO USADO PARA CADA EQUIPO 35
Los métodos usados para la dimensionalización de los diferentes equipos que intervienen en el proceso productivo se consignan en la tabla 12, la cual se basa en cada una de las especificaciones de diseño Anexo 3 EXCEL-Dimensionamiento de equipos. CONDICIONES DE OPERACIÓN EQUIPO
H E R R A M I E N T A SD EC A LC U LO
Compresor C-101 Mezclador 1 MIX-101 Mezclador 2 MIX-102 Mezclador 3 MIX-103 Reactor PFR-100 Intercambiador de calor 1 E-102 Intercambiador de calor 2 E-101 Intercambiador de calor 3 E-100 Intercambiador de calor 4 E-103 Intercambiador de calor 5 E-106 Torre de Absorcion T-101 Torre de Destilacion T-102 Bomba 1 P-101 Bomba 2 P-103 Bomba 3 P-104 Tanque de almacenamiento 1 V-100 Tanque de almacenamiento 2 V-101 Tanque de almacenamiento 3 V-102 Tanque de almacenamiento 4 V-103
A S P E NH Y S Y S A S P EHNY S Y S A S P EHNY S Y S A S P EHNY S Y S A S P EHNY S Y S A S P E NH Y S Y S A S P E NH Y S Y S A S P E NH Y S Y S A S P E NH Y S Y S A S P E NH Y S Y S A S P E NH Y S Y S A S P E NH Y S Y S A S P E NH Y S Y S A S P E NH Y S Y S A S P E NH Y S Y S A S P E NH Y S Y S A S P E NH Y S Y S A S P E NH Y S Y S A S P E NH Y S Y S
M É TO DO
P O L Y T R O P I CME T H O D MI X ER MI X ER MI X ER MI X ER H E A TE X C H A N GE R H E A TE X C H A N GE R H E A TE X C H A N GE R H E A TE X C H A N GE R H E A TE X C H A N GE R C O L UMNR E A C T I O N C O L UMNR E A C T I O N P UM P P UM P P UM P F L A CT Y L I N D E R F L A CT Y L I N D E R F L A CT Y L I N D E R F L A CT Y L I N D E R
DIMENSIONAM IENTO H E R R A M I E N T A SD EC A LC U LO
HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS EX C EL EX C EL EX C EL EX C EL
M É TO DO
F i ch a sd ee s p e c i f i c a ci o n e s N I N G UN O N I N G UN O N I N G UN O H E UR Í S T I C A S h e l l &T u b eE x ch a n g e rD e s i g n / R a t i n g S h e l l &T u b eE x ch a n g e rD e s i g n / R a t i n g S h e l l &T u b eE x ch a n g e rD e s i g n / R a t i n g S h e l l &T u b eE x ch a n g e rD e s i g n / R a t i n g S h e l l &T u b eE x ch a n g e rD e s i g n / R a t i n g T R A YS I Z I N G T R A YS I Z I N G F i ch a ds e s p e c i f i c a ci o n e s F i ch a ds e s p e c i f i c a ci o n e s F i ch a ds e s p e c i f i c a ci o n e s H E UR Í S T I C A H E UR Í S T I C A H E UR Í S T I C A H E UR Í S T I C A
Tabla 6.Especificaciones de dimensionalización de equipos Cabe resaltar que dentro del proceso de dimensionamiento se tiene en cuenta:
El manejo de heurísticas que relacionan diámetro y altura para cada uno de los tanques. El sobredimensionamiento de los tanques, se realiza multiplicando por 1.2-1.25 para evitar accidentes o problemas de capacidad. Todos los tanques de almacenamiento están dimensionados para tener una carga durante siete días. Algunas especificaciones acerca de dimensiones de equipos son resultantes de la simulación en HYSYS.
36
8.4.
DESCRIPCION DE EQUIPOS DEL PROCESO
8.4.1. Compresor de aire seco Este equipo se encarga de desplazar fluido compresible (aire) y aumentar presion.se lleva a cabo un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo.
Figura 12: Compresor C-101
8.4.2. Calentador de aire seco Debido a que la condición necesaria para que el aire seco entre al reactor catalitico y reaccione es necesario bajar la temperatura de la corriente entrante mediante el intercambio de calor con agua liquida Figura 13: Intercambiador de calor E-102
8.4.3. Bomba P-101 Esta bomba se utiliza para incrementar la presión del metanol líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido al mezclador MIX-103 , es decir de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud. Figura 14: Bomba P-101
8.4.4. Mezclador de reactivo fresco y reactivo recuperado Este equipo se encarga de mezclar la corriente de reciclo de metanol proveniente de la torre de destilación con la corriente de metanol fresco para la homogeneidad del metanol que entra al reactor. Figura 15: Mezclador MIX-103 37
8.4.5. Intercambiador de calor E-101 Este calentador se emplea debido a que la condición necesaria para que los reactivos (metanol) entre al reactor catalitico y reaccionen es necesario subir la temperatura de la corriente entrante mediante el intercambio de calor con agua liquida. Figura 16: Intercambiador de calor E-102
8.4.6. Mezclador de aire y metanol Este equipo se encarga de mezclar la corriente de metanol previamente calentada con la corriente de aire para entrar al reactor. Figura 17: Mezclador MIX-101
8.4.7. Reactor de flujo Piston Este equipo se encarga mediante una reacción catalítica genera la producción de formaldehido a partir de metanol y aire.
Figura 18: Reactor PFR-100
38
8.4.8. Enfriador de productos de la reacción Este equipo se instala debido a que los productos que salen del reactor pfr tienen una temperatura muy elevada, es necesario enfriar esta corriente a las condiciones optimas para ingresar a la torre de absorcion, mediante el intercambio de calor con agua liquida. Figura 19: Intercambiador de calor E-100
8.4.9. Torre de Absorción La alimentación fresca de agua es suministrada a la torre empaca para absorber 99% del formaldehido que entra.
Figura 20: Torre de absorción T-101
8.4.10. Calentador de corriente absorbida Este calentador se instala debido a que los productos que salen de la torre de absorción tienen una temperatura muy elevada, es necesario enfriar esta corriente a las condiciones óptimas para ingresar a la torre de destilación, mediante el intercambio de calor con agua liquida Figura 21: Intercambiador de calor E-103 39
8.4.11. Torre de destilación Este equipo se implementar porque se desea limpiar y recuperar el metanol que está en la corriente del producto deseado, esto se efectúa con una columna de destilación que recupera un 37% peso de solución del formaldehido en agua. la mayoría del metanol es recuperado en el destilado.
Figura 22: Torre de destilación T-101
8.4.12. Bomba P-103 Este equipo se utiliza para incrementar la presión del formaldehido para llevarlo al mezclador, añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud. Figura 23: Bomba P-103
8.4.13.
Mezclador de formaldehido y agua
El objetivo de este equipo, es mezclar la corriente de formaldehido que salio del la torre de destilacion con una corriente de agua fresca para alcanzar el 37% de peso en soluciónDEL FORMALDEHIDO EN AGUA. Figura 24: Mezclador MIX-102 40
8.4.14. Enfriador de Formaldehido Este equipo se implementa debido a que la condición necesaria para que el formaldehído pueda ser almacenado en los tanques se debe bajar la temperatura de la corriente entrante mediante el intercambio de calor con agua Figura 25: Intercambiador de calor E-106
líquida.
8.4.15.
Bomba P-104
Este equipo se utiliza para incrementar la presión del formaldehido para depositarlo en los tanques de almacenamiento, añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud. Figura 26: Bomba P-104
8.4.16. Tanques de almacenamiento de Formaldehido Estos tanques se utilizan para almacenar el formaldehido que se produce en la planta, están diseñados con un sobredimensionamiento para seguridad. Los depósitos de almacenamiento final serán 2 de las mismas dimensiones, estos almacenaran el producto durante 7 días y estarán fabricados en acero inoxidable 316. Figura 27: Tanques de almacenamiento V-100 V-101
41
8.5.
ESPECIFICACIONES GENERALES ACERCA DE DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS EN HYSYS EQUIPO
HERRAMIENTAS DE DIMENSIONAMIENTO
Tanques de almacenamiento (V-100,V-101)
Basados en el dato de flujo volumétrico (m /h) generado por simulación en HYSYS, y suponiendo que la capacidad de almacenamiento de la planta es de Siete días se estima el volumen necesario para esta clase de equipos. Cabe resaltar que el volumen final se estima con un sobredimensionamiento del 20% del volumen inicial para preservar la seguridad industrial. Si bien el reactor multitubular de flujo piston para efecto de dimensionamiento fue necesario investigar en la literatura
Reactor de flujo pistón (PFR-100)
‘Diseño de una planta de Formaldehido Autor: Miguel Tinoco Rios.’ las dimensiones y condiciones de un reactor
Intercambiadores de calor (E-101, E-102,E-103,E-100, E-106)
Para este tipo de equipo de intercambio energético con solo conocer su área de transferencia se provee un dimensionamiento cercano. El software Hysys –Aspen mediante la simulación del proceso arroja esos valores.
Torre de absorción y torre de Destilación (T-101, T-102)
Tanto el valor de la altura y el valor del diámetro es generado por HYSYS-ASPEN, adicionalmente se especifica la cantidad de empaque que se es necesario.
Bombas y compresores (P-100, P-101, P-103, C-101)
Dentro de las especificaciones generadas por HYSYS se encuentran las potencias y el peso de los equipos, por lo tanto es considerable valor único para su dimensionamiento y costo.
PFR ya montado, del cual obtuvimos su volumen y flujo de entrada, y mediante una relación con nuestro flujo, fue posible determinar un volumen estimado para nuestro reactor.
9. ESTRATEGIA DE DISEÑO EN HYSYS 9.1. SELECCIÓN DEL MODELO TERMODINAMICO Durante la simulación de la producción de Formaldehído se utiliza inicialmente el paquete recomendado por Honeywell, ASPENTech para productos químicos (Modelos de actividad, PRSV) sin embargo no hubo convergencia lo cual obligo a utilizar el paquete termodinámico NRTL-ideal (Modelo Non Random Two) debido a dos razones: el modelo es aplicable a sistemas parcialmente miscibles, en la cual 42
se asume que un líquido tiene una estructura hecha de celdas de moléculas de dos tipos, en una mezcla binaria cada molécula se considera que está rodeada por moléculas de ambo tipos, en proporción determinadas por la energía de interacción de Gibbs [6], y la segunda razón reside en la convergencia de todos los equipos a este modelo permitiendo la no generación de errores dentro de la corrida de la simulación.
9.2. DESCRIPCION DE LA ESTRATEGIA DE DISEÑO La estrategia utilizada para realizar el diseño, consiste básicamente en la búsqueda información Estas bibliográfica (tesis detener grado, en base de datos) y patentesdeconsultadas. nos permiten un artículos amplio conocimiento de la actual metodología para la manufactura del Formaldehido para facilitar la posterior utilización de la interfaz del software Aspen Hysys. Se realiza la simulación bajo las siguientes consideraciones:
Los flujos iniciales se hallaron mediante balances sencillos sobre las ecuaciones estequiometricas que describen el proceso. Se toma como base para el cálculo la capacidad instalada generada mediante la proyección de los históricos demandados del Formaldehido. Para la simulación de la torre de absorción fue necesario usar torres empacadas con empaque intalox y sin reacción química para la convergencia del proceso. La cinética de la reacción en el área de oxidación catalítica no se tuvo en cuenta ya que no se simula el comportamiento del catalizador pentóxido de vanadio. Los equipos usados en la producción de Formaldehido usan el paquete termodinámico BASIS-1. Se utiliza un reciclo durante la simulación debido a que existen algunos insumos para la operación de algunos equipos (exactamente torre de destilación) que hacen parte de las corrientes de producción en las últimas etapas del proceso. La capacidad instalada en el proceso de simulación no es la misma debido a la complejidad del proceso y al uso de reciclo, el cual se ajustó por prueba y error, sin embargo su proximidad al dato real está en un porcentaje de 94,4%.
OBSERVACIÓN: El proceso se diseña en el simulador colocando cada equipo y verificando que converja, luego se añade el siguiente equipo y se realiza la misma acción. Seguidamente se introdujo el reciclo lo que ocasiono que algunos equipos 43
no convergieran, como la torre de absorción. Se realiza nuevamente el método corto para la torre y de nuevo el riguroso.
10. DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTOS DE EQUIPOS MANUAL 10.1. MANUAL DISEÑO DE TANQUES ALMACENAMIENTO Los tanques de almacenamiento de líquidos que se usan en la industria química se clasifican en:
Cilíndricos horizontales.
Cilíndricos verticales de fondo plano. Los tanques cilíndricos horizontales, son generalmente de volúmenes relativamente bajos a causa de que presentan problemas por fallas de corte y flexión. Los tanques cilíndricos verticales de fondo plano permiten almacenar grandes cantidades volumétricas con un costo bajo, pero poseen la limitación de que solo se pueden usar a presión atmosférica o presiones internas relativamente pequeñas. Debido a que se desea almacenar un gran volumen de producto (formaldehido al 37% en agua), se emplearan depósitos cilíndricos verticales montados sobre una estructura de hormigón (Branan, Carl R. 2000). De acuerdo al estándar API 650, se clasifican los tanques verticales según el tipo de techo. Este tipo de tanques pueden ser: De techo fijo.
De techo Sin techo.flotante.
Los tanques de techo fijo se emplean para almacenar productos no volátiles o de bajo contenido de ligeros (no inflamables) como son: agua, diesel, asfalto, petróleo crudo, etc. Los tanques de techo flotante se emplean para almacenar productos con alto contenido de volátiles como son: alcoholes, gasolinas y combustibles en general. Este tipo de techo fue desarrollado para reducir o anular la cámara de aire, o espacio libre entre el espejo del líquido y el techo, además de proporcionar un medio aislante para la superficie del líquido. Además de todo lo anterior se reduce la velocidad de transferencia de calor al líquido almacenado durante los periodos de altas temperaturas ambientales, evitando la formación de gases (la evaporación del líquido o la emisión de volátiles que se encuentran disueltos en el líquido), disminuyendo así la contaminación del ambiente y, al mismo tiempo se reducen los riesgos al almacenar productos inflamables. Existen dos tipos decon techos flotantes:solar los cubiertos que sonpluviales aquellos gracias que no aestán en contacto directo la radiación y precipitaciones que existe un techo fijo que protege al flotante; y los techos flotantes externos, los
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cuales no cuentan con un techo fijo, por lo que este se encontrara en contacto con el medio ambiente. Los tanques sin techo se emplean para almacenar productos en los cuales no es importante que este se contamine o que se evapore a la atmosfera como el caso del agua cruda, residual, contra incendios, etc. Por ello, se usaran techos flotantes cubiertos debido a que se almacenan productos volátiles, de manera que así se asegura una menor pérdida de producto almacenado en forma de vapor, puesto que se protege el tanque de la radiación solar. Se diseñan los tanques de almacenamiento de producto final para un caudal de salida de 19800 Tm/año y para un periodo de almacenamiento de 7 días. Además se debe sobredimensionar el número de depósitos, al menos por duplicado, para almacenar el producto en caso de producirse cualquier imprevisto que impida la salida del producto. La capacidad de los tanques se determina en función del caudal másico y la densidad del producto a almacenar, y el tiempo de almacenamiento de cada uno de ellos. La capacidad de los tanques debe ser tal que estén llenos al 50% de su capacidad total. Se diseñaran dos tanques para el almacenamiento de metanol y dos para el almacenamiento del producto final.
10.1.1.
Tanque de almacenamiento de metanol
El metanol es un altamente inflamable, tóxico, se debe tener precaución durante el almacenamiento y operaciones de dispensación. Al almacenar metanol, se deben tomar las precauciones necesarias para garantizar la seguridad y la eficacia del metanol, así como la seguridad de la zona de los alrededores. De manera general el metanol debe mantenerse en un lugar fresco y seco, alejado de la luz solar directa, el calor, las llamas y la humedad.
Condiciones para el almacenamiento en tanques (Element 1 - Hydrogen generators, 2013)
El metanol debe ocupar máximo la mitad de la capacidad y se debe mantener un relleno aislante de gas inerte en el espacio vacío del tanque, ya que el vapor de metanol puede encenderse y quemarse en el espacio libre del tanque. Se prefieren los tanques con techo flotante interno para reducir la evaporación. Los deben estar de herméticamente cerrados. Paratanques minimizar el riesgo incendio, se deben encerrar completamente los tanques en un sistema de contención secundario e instalar en el área de almacenamiento sistemas de alarma/detección de vapor y calor, el metanol 45
se quema con una llama azul transparente, no luminosa, la combustión es probable que no sea detectada por los detectores de humo estándar. El metanol es corrosivo para las aleaciones no ferrosas y reacciona con ciertos plásticos y materiales, los compuestos adecuados para construir los tanques son: acero dulce, acero inoxidable, polietileno vulcanizado de alta densidad, caucho natural vulcanizado. En el área de almacenamiento de Metanol se debe contar con equipo eléctrico a prueba de explosiones. De igual forma, dispositivos de descarga eléctrica a tierra para todos los equipos
Estas y otrasdeconsideraciones adicionales están publicaciones American Petroleum Institute (API),disponibles Standard en API en 620lasy Standard API 653.
Determinación del tiempo de almacenamiento en los tanques El metanol se piensa importar desde México cuando la oferta nacional no esté disponible. El tiempo de la importación está entre 11 y 14 días según doingbusiness.org, debido a esto el tiempo de almacenamiento en tanques se fija en 15 días.
Diseño del tanque
Primeramente, se va a realizar el cálculo del volumen necesario del tanque para su almacenamiento; así seque va ela caudal considerar un tiempo de almacenamiento de 15 días. Teniendo en cuenta de entrada de metanol es de 2,27 TON/h, la masa a almacenar será:
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Ahora se calcula el volumen de Metanol a almacenar teniendo en cuenta la densidad del metanol que es de 0,7918 TON/m3. Por lo tanto, el volumen útil del depósito se determina:
Se toma ahora como margen de seguridad un 10%, ya que estos depósitos están diseñados para la realización de pruebas al producto y no como almacenamiento.
Dimensionamiento de almacenamiento deTanque Metanol 2 Orientación Vertical Número de tanques Caudal de salida Capacidad del tanque Diámetro del tanque Altura del tanque Tiempo de almacenamiento
10.1.2.
15 días
Tanque de almacenamiento de formaldehido 37%
El producto final (formaldehido 37% condiciones en peso ende agua), dispuesto comercialización, se almacena aalunas temperatura deya 25para oC ysua presión atmosférica. Primero, se va a realizar el cálculo del volumen necesario del
47
tanque para su almacenamiento; así se va a considerar un tiempo de almacenamiento de 7 días. Teniendo en cuenta que el caudal de salida de formaldehido es de 2,27 TON/h y esta concentración será al 37%, lo cual indica que el producto final es diluido en agua y requiere un 63%, por lo cual se debe tener en cuenta la masa total del producto diluido.
Ahora se calcula el volumen de formaldehido al 37% a almacenar al poseer el valor de la densidad del formaldehido, 0,9855 Ton/m3. Por lo tanto, el volumen útil del depósito se determina:
Se toma ahora como margen de seguridad un 10%, ya que estos depósitos están diseñados para la realización de pruebas al producto y no como almacenamiento.
48
Dimensionamiento Tanque de almacenamiento de Formaldehido 37% Número de tanques 2 Orientación Vertical Caudal de salida Capacidad del tanque Diámetro del tanque Altura del tanque Tiempo de almacenamiento
304168,93 gal
7 días
10.2. DISEÑO DEL COMPRESOR La impulsión de gases se realiza mediante tres tipos de equipos dependiendo del aumento de presión de los gases. Así si el aumento es elevado se usan compresores, si es pequeño se usan ventiladores y para rangos intermedios se usan soplantes. En la planta el aumento de presiones que sufren los gases al impulsarlos se encuentra en el rango de los compresores. Los parámetros de los que depende el uso de ventiladores son el caudal de gas que se debe impulsar y el aumento de presión que se requiere. Mediante estos parámetros se puede calcular el compresor necesario para el proceso mediante unas tablas. Para el diseño de este equipo se tuvo en cuenta parámetros como: Driver, potencia, tipo de fluido, temperatura, presión.
Tipo de fluido a ire: Propiedades:
Cp 29.1 Kj/ Kmol K
Cv=20.78 Kj/ Kmol K
S upos ici ones :
n=0.75 Adiabatic Capacidades caloríficas constantes Gas ideal
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Y teniendo en cuenta que es un flujo compresible se usaron las siguientes correlaciones para gas ideal (tomadas de la mecánica de fluidos de cengel) para el cálculo de la potencia.
Donde n es la eficiencia del compresor, este dato es obtenido mediante la gráfica de eficiencia para aire con un valor de 0.75 con capacidades constantes, gas ideal, y adiabático.
Dimensionamiento Compresor de aire Aire 75%
Tipo de Fluido Eficiencia Caída de presión Flujo de aire entrada Potencia
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10.3. DISEÑO DE BOMBAS Las bombas son equipos mecánicos que sirven para elevar los líquidos y conducirlos de un lugar a otro, o lo que es lo mismo, comunicarles cierta cantidad de energía (carga) que les permita vencer la resistencia de las tuberías a la circulación, así como, la carga que representa la diferencia de nivel entre el lugar de donde se toma el líquido y el lugar adonde se pretende llevar. Los líquidos circulan del lugar de mayor energía al lugar de menor energía; el suministrarle energía la bomba al líquido tiene el objeto de producir el gradiente necesario para establecer la circulación y vencer las resistencias. La impulsión de líquidos en un proceso químico es fundamental, existiendo dos tipos básicos de bombas: bombas de desplazamiento positivo y bombas centrifugas. La primera de estas bombas se basa en el uso de un pistón que impulsa el líquido, mientras que las centrifugas, como su propio nombre indica, impulsan el fluido gracias a una fuerza centrífuga.
PARÁMETROS PARA LA SELECCIÓN DE UNA BOMBA
Cuando se selecciona una bomba para una aplicación particular, se deben considerar los siguientes factores:
La naturaleza del líquido que se va a bombear La capacidad requerida (velocidad de flujo de volumen). Las condiciones en el lado de succión (entrada) de la bomba. Las condiciones en el lado de la descarga (salida) de la bomba. La cabeza total de la bomba (el término h a de la ecuación de la energía). El tipo de sistema al que la bomba está entregando el fluido. El tipo de la fuente de alimentación (motor eléctrico, motor de diesel, turbina de vapor, etcétera). Limitaciones de espacio, peso y posición. Condiciones ambientales. Costo de la operación de la bomba Códigos de estándares que rigen a las bombas.
La elección del tipo de bombas depende de muchos factores, existiendo un método sencillo de selección que es el método gráfico. Mediante este método, conociendo el caudal que es necesario impulsa y la altura útil de impulsión (H), se puede obtener el tipo de bomba idóneo para ese caso concreto.
51
Figura Selección de equipos de impulsión (Greene Richard W., 1987) También cuando tenemos la potencia seleccionar con la siguiente tabla
Tipo
Potencia Max. [kW] 250
Reciprocante Rotatoria positivo Centrifuga
&
podemos saber qué tipo de bomba
Presión Max. [bar] 1000
Desplazamiento 150
300
250
300
LOS PARAMETROS BASICOS EN EL DISEÑO DE UNA BOMBA SON:
La altura útil de impulsión (H).
El caudal que La potencia (P)es posible impulsar (Q). La altura neta de succión positiva (NPSHd).
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Para poder dimensionar las bombas, es necesario tener una lista de condiciones y suposiciones necesarias, para permitan ajustar nuestro modelo, a un caso real.
Flujo estacionario e incomprensible La gravedad es despreciable en las tuberías con un Angulo diferente a la horizontal, esto en flujo turbulento Velocidades del fluido entre puntos diferentes de las tuberías son cero V1=V2=0 debido a que utilizamos una sola tubería con un diámetro especifico.
ECUACIONES NECESARIAS
Ecuación de Bernoulli: Balance de energía mecánica
Ecuación de continuidad
La densidad del liquida que transporta la tubería es igual en todos los puntos, y además el diámetro de tubería es el mismo; por lo tanto las velocidades son constantes en cualquier punto. 1. Ecuación de Bernoulli modificada: Se eliminaron términos innecesarios y se logró obtener una ecuación general que embarca todas las interacciones de fuerzas que tiene el proceso.
2. Perdida de carga: Uno de los términos más relevantes en nuestro sistema es el referente a la pérdida de carga debida a los efectos viscosos y a los dispositivos presentes en nuestro proceso.
3. Perdida de carga total: Tenemos perdida de carga mayor y menor, los cuales dependiente de parámetros que representan tanto la geometría y características del material de la tubería, como la distribución de dispositivos que general esa disipación de energía. 53
4. Perdida de carga a presión constante: debido a que nuestro proceso solo incluye tuberías de un solo determinado diámetro, generando que la velocidad se pueda cancelar en la ecuación.
5. Ecuación de Colebrook: Esta ecuación se utiliza como herramienta para poder encontrar el factor de fricción que produce la tubería debido a las características propias del material.
6. Finalmente la potencia de la bomba eléctrica necesaria para que la bomba entregue el impulso necesario para cumplir con todos los requerimientos se representa por la siguiente ecuación:
10.3.1.
Bomba centrifuga P-101
Tipo de fluido: Metanol
A 30 °C:
De la ecuación de Bernoulli:
Asumiendo que no hay perdidas en la bomba, 54
Dimensionamiento Bomba P-101 Metanol 75%
Tipo de Fluido Eficiencia
Caída de presión Flujo de entrada Potencia
10.3.2.
Bomba centrifuga P-103
Tipo de fluido: Destilado que sale de la torre
A 30 °C:
De la ecuación de Bernoulli:
55
Asumiendo que no hay perdidas en la bomba,
Dimensionamiento Bomba P-103 Tipo de Fluido Eficiencia
Destilado que sale de la torre 75%
Caída de presión
Flujo de entrada Potencia
10.3.3.
Bomba centrifuga P-104
Tipo de fluido: Formaldehido al 37%
A 30 °C:
De la ecuación de Bernoulli: 56
Asumiendo que no hay perdidas en la bomba,
Dimensionamiento Bomba P-104 Tipo de Fluido Eficiencia Caída de presión Flujo de entrada Potencia
Formaldehido al 37%
75%
10.4. DIMENSIONAMIENTO DE REACTOR El reactor está destinado a ser el equipo donde se produzca la reacción para la conversión del metanol en formaldehido, que es nuestro producto final, y este formaldehido obtenido será acondicionado para su venta por otros equipos que existirán después del reactor. El diseño del reactor incluye el volumen del reactor, el peso del catalizador de plata y su distribución a lo largo del lecho, la temperatura de entrada y salida del reactor y la caída de presión a lo largo del reactor.
57
Antes de iniciar el diseño del reactor se tienen en cuenta ciertas consideraciones importantes: La reacción principal es exotérmica e irreversible .
Junto con la reacción principal tienen lugar un conjunto de reacciones secundarias en serie y en paralelo que son indeseadas.
Todas las reacciones se dan en fase gaseosa. En Ingeniería Química el reactor es la instalación donde se produce a reacción química existiendo diferentes tipos dependiendo de las características de reactivos y productos, las condiciones de operación y los requisitos técnicos, operacionales, legales, medioambientales, de seguridad, control, etc. Los tipos básicos de reactores son los reactores homogéneos (todas las sustancias involucradas se encuentran en una misma fase) y heterogéneos (alguna o todas las sustancias involucradas Se encuentran en diferentes fases). En nuestro caso, al ser nuestro catalizador un compuesto sólido y los reactivos van a introducirse en fase gas, el tipo de reactor elegido debe ser un reactor heterogéneo. Dependiendo de las fases que se van a ver involucradas, existirán diferentes clases de reactores que podrán llevar a cabo las reacciones deseadas. Así existen reactores especiales para reacciones gas-liquido, otro para solido-fluido, otro para sistemas multifasicos, etc. En nuestro caso tenemos dos fases, una sólida y una fluida, por lo que las decisiones se centraran en el reactor solido-fluido. Este tipo de reactores se suelen dividir tradicionalmente en dos grupos: reactores de lecho fijo o empacado, y reactores de lecho fluidizado. En nuestro caso, todavía no se han desarrollado con éxito el catalizador que vamos a usar en forma de partículas que puedan operar con lechos fluidizados, por lo que nos vamos a centralizar en los reactores de lecho fijo. Generalmente en los procesos industriales para la obtención de formaldehido se usan reactores multitubulares debido a su excelente control de la temperatura (la reacción es altamente exotermica) a su facilidad de operación y por ser bastante baratos. Por todo ello, se ha elegido diseñar este tipo de reactor, además de por las múltiples ventajas que posee. 58
Con esta información, se decide optar por un reactor tubular de lecho empacado fijo. Los reactores tubulares se usan ampliamente en diferentes procesos con gases, especialmente cuando las reacciones involucran catálisis heterogénea como en este caso (Monserrat Iborra & Tejero, 2010). La elección del tipo de lecho se hizo teniendo en cuenta que la mayoría de los procesos industriales de formaldehido usan lecho fijo, la implementación de lechos fluidizados está aún en desarrollo (Khorshidi & Kalbasi, 2007). En el diseño de reactor se busca optimizar las condiciones de operación para maximizar la selectividad hacia la producción de formaldehido.
10.4.1.
Reactor tubular de lecho empacado PFR-100
Los reactores de lecho fijo operan en posición vertical y consisten en uno o más tubos empacados con partículas de catalizador que pueden variar de tamaño y forma. En este caso debido a la necesidad de retirar grandes cantidades de calor, el reactor deberá constituirse con cierto número de tubos de pequeño diámetro engarzados en un solo cuerpo, circulando por el alrededor de los mismos el fluido para el intercambio energético, para mantener un adecuado control de la temperatura buscando que opere isotérmicamente. La configuración del catalizador escogido: catalizador de plata electrolítico, la regeneración del mismo se hace in situ.
Ecuaciones A nivel industrial la oxidación parcial de metanol a formaldehido sobre catalizadores de plata se lleva cabo a una presión ligeramente mayor a la 59
atmosférica pasando metanol en fase vapor junto con aire y vapor por un lecho fijo de catalizadores de plata que opera adiabáticamente entre 873 K y 973 K. El rendimiento alcanzado está entre el 88% y 90% (Waterhouse, 2003). El sistema de reacción consta de una reacción principal (1) que se da en fase gaseosa, es irreversible y altamente exotérmica; también se observa que un conjunto de reacciones serie-paralelo se tienen en cuenta para explicar el mecanismo de reacción (Quian, Liauw, & Emig, 2003) (Waterhouse, Bowmaker, & Metson, 2004):
Las ecuaciones marcadas con * denotan algunas formas de quimiosorción del oxígeno en plata (Waterhouse, Bowmaker, & Metson, 2004). 60
Para simplificar el conjunto de reacciones, teniendo en cuenta los resultados de (Waterhouse, Bowmaker, & Metson, 2004), se toman en cuenta solo las siguientes:
Con las condiciones dadas:
Esto sale del
Temperatura de operación del reactor
Presión de operación
101325 Pa
Conversión metanol
88%
Balances molares
balance delpude energía aunque se poner entre 150 ºC según la literatura consultada (subrayado en gris arriba)
Ley de velocidad
La expresiones para la ley de velocidad se han tomado de la bibliografía citada, teniendo en cuenta similares condiciones de temperatura y presión:
61
(Srinivasan, Su, & Michael, 2007)
Diseño mecánico de los tubos
Para la determinación del número de tubos y su longitud se deberá suponer un número de tubos y un diámetro externo de estos, y después comprobar si la suposición de esas características de los tubos es válida. Para que el número de tubos y el diámetro exterior de los tubos sean válidos se deben cumplir las siguientes consideraciones:
La longitud de tubos que se obtenga debe ser adecuada (ni muy grande ni muy pequeña). La velocidad del fluido por dentro de los tubos debe encontrarse en el rango habitual de velocidades de fluidos a las condiciones de operación. La pérdida de carga en tubos no debe sobrepasar 1 atm.
Caída de presión – Ecuación de ergun
En lechos empacados se usa la ecuación de ergun para determinar la relación
62
Con el tiempo de residencia se calcula el volumen:
Dimensionamiento Reactor PFR-100 150 343 Vertical
Tentrada (ºC) Tsalida (ºC) Orientación Volumen Diámetro Altura Numero de tubos Longitud de los tubos
63
600 3m
10.5. DISEÑO DE ABSORBEDOR La absorción es ampliamente utilizada como técnica de recuperación en la separación y purificación de corrientes gaseosas en compuestos solubles en agua como el formaldehido(Environmetal Protection Agency EPA , 2014). En estas torres la fase liquida se dispersa en la matriz empacada, la cual incrementa el área de contacto entre las fases liquida y gas. La configuración más común de flujo es en contracorriente: el líquido entra por el tope y el gas por el fondo, de esta manera el gas más diluido se pone en contacto con el líquido menos saturado, si se mantiene un gradiente de concentración uniforme a lo largo de la columna.
Para el diseño en contracorriente la máxima relación está limitada por la inundación y el mínimo debe ser tal que una delgada capa de líquido cubra el empaque. En la industria química se usan diferentes tipos de absorbedores dependiendo de las características y la aplicación del proceso en cuestión. A pesar de sus diferencias existen algunas características comunes como que el gas siempre entra por la parte baja del absorbedor y el líquido se alimenta por la parte alta para que descienda por gravedad, y que generalmente se suelen usar absorbedores que operan en continuo (aunque existen operaciones en las que se usan en discontinuo, pero no suele ser lo más usual).
Empaque El empaque a escoger debe proporcionar la mayor área de transferencia posible, sin embargo dado las características fisicoquímicas de las sustancias a manejar, debe ser resiste nte a la corrosión y soportar altas temperaturas. Se ha escogido un relleno de anillos Raschig de una pulgada debido a ser bastante habituales en las columnas de relleno, y por ser uno de los rellenos más eficaces (mayor área superficial) a menor coste
.
10.5.1.
Torre de absorción en contracorriente empacada
En el diseño de la torre la velocidad del gas es el principal parámetro a tener en cuenta para determinar el tamaño de la altura empacada de la columna. Se usa la
64
correlación de Sherwood para determinar el límite de inundación y la caída de presión en el lecho.
Características del absorbedor
Se van a tomar las siguientes consideraciones para el diseño del absorbedor: Se escogerá una columna de relleno de anillos Raschig de 1 in. El equipo estará construido con Acero Carpenter 20 Mo-6 (es similar a la aleación Incoloy) debido a ser resistente a las atmosferas de formaldehido
√ √
Velocidad de flujo de gas
Velocidad de flujo de líquido Valor de la abscisa
Usando la línea de inundación y el valor hallado anteriormente, se determina el flujo másico de gas en la inundación
65
El área empacada y diámetro empacado:
Diámetro de la torre:
Altura empacada: De los datos de equilibrio se obtiene la siguiente gráfica:
[ ] 66
fue obtenido para empaque de cerámica de 2”
Dimensionamiento Torre de Absorción
Orientación Volumen
Vertical
Diámetro Altura Empaquetamiento
cerámica de 2”
10.6. DISEÑO DE TORRE DESTILACIÓN Para iniciar el diseño de una torre de destilación fraccionada es necesario que tener en cuenta los pasos siguientes: Realizar un balance de materia y entalpia en la zona de enriquecimiento y empobrecimiento para conocer las temperaturas de operación; los flujos que intervienen en el proceso; numero de etapas, entre otras variables involucradas existes dos métodos como son el de Mccabe-Thile y Ponchon y Savarit (puedes escoger queRobert más se a tus condiciones de diseño) te recomiendo que revises elellibro 2º edición. E. ajuste Treybal
Cálculo de Diámetro y Altura de Torres de Destilación 1. Se especifica un diámetro de orificio y una separación entre orificios en un arreglo triangular, de ahí se procede a calcular la relación de la siguiente manera: a) Diámetro del orificio (do): se recomienda 4.5 ó 6.0 mm (máximo) b) Distribución triangular con separación entre centros (p’): 2.5 -5.0 do 2. Calcular la relación Ao/Aa: Donde: Ao: Área orificio Aa: Área activa p’: Separación de orificios entre centro y centro
3. Luego, asumimos un espaciamiento entre platos, se toma como referencia la tabla 6.1 del Treybal. Con estos datos, vamos a la tabla 6.2 del Treybal y calculamos la siguiente relación: 67
Se calcula el flux másico de vapor, usando la siguiente ecuación:
Donde: ρ L = densidad del líquido ρG = densidad del vapor G’ = flux másico del vapor 1) Se hace la corrección de este parámetro por tensión superficial, por:
Donde: = tensión superficial del líquido (dinas/cm)
2) Inicialmente se calcula el parámetro B20, con la siguiente ecuación:
Donde: Ts = espaciado entre platos, (in)* B20=parámetro considerando una tensión superficial de 20 dinas/cm “Para la selección del espaciado entre platos, se tuvo en cuenta la Tabla 6.1 del libro de Treybal [15], la cual relaciona valores recomendados del espaciado entre platos con diámetros de columna recomendados ” SE
ESTIMA UN VALOR DEL DIAMETRO PARA ESCOGER EL ESPACIADO Se realiza el mismo trábalo para L’
Si este valor es menor que 0.1, asumimos los siguientes cálculos como si fuera 0.1. Para valores entre 0.1 y 1, calculamos los siguientes parámetros: Donde: t : Espaciamiento entre platos
Luego hallamos la constante CF mediante la siguiente expresión:
68
Si Ao/Aa < 0.1: Multiplicar
Si (L’/G’)( G/ 0.1.
y
por (5(Ao/Aa)+0.5)..
L )0.5 está entre 0.01 y 0.1, asigne a toda la expresión el valor de
Donde: L’: Flujo másico superficial del líquido G’: Flujo másico superficial del gas : Tensión superficial , en N/m
4. Con esta constante, evalúa para hallar la velocidad superficial del gas:
Emplearemos el 80% de la velocidad de inundación:
5. Entonces, el área neta del plato: Donde: Q: Caudal de Vapor A n : Área Neta 6. En forma tentativa, escogemos una longitud de derramadero de:
7. Con lo que nuestra Área Total (A T ) y Diámetro Total (D T ) está dado por:
Finalmente verificamos que el valor hallado del Diámetro Total concuerde con el espaciamiento asumido al inicio. Para hallar la altura de torre, al número total de platos le restamos un plato si tiene condensador parcial y otro más si tiene rehervidor parcial. 8. Altura de la torre 69
Donde Z= antura de la torre T= espaciamiento entre plato NpR= numero de platos reales a) Para calcular el número de platos reales, tenemos que hallar la eficiencia global. Para esto usaremos la fórmula 14-138 del Perry 8va Edición: Donde EOG= eficiencia de la torre = tensión superficial del liquido = viscosidad del liquido
b) Luego, para hallar el número de platos reales: Donde:
c) Calculo de platos teóricos
70
Para el cálculo del Volumen se toma como referencia el volumen del cilindro dado por la ecuación 1.
(1)
Utilizando la heurística para el diseño de reactores y columnas tenemos la ecuación 2:
Se tomó
(2).
y se reeplaza en 1 obteniéndose 4.
El volumen o capacidad de la torre se realizó con el flujo volumétrico por el tiempo de residencia.
v´ * t
(5)
Por seguridad la torre es sobredimensionada en un 25% del volumen final.
Se obtiene v , en la ecuación (5) se despeja D de la ecuación (1) y se obtiene D[m], de la ecuación (2) se despeja H. Entonces:
=
Dimensionamiento Torre de Destilación Vertical
Orientación
Volumen Diámetro Altura
10
Número de etapas
71
10.7. DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
Criterios para el diseño de los intercambiadores
Los intercambiadores de calor son uno de los equipos que se emplean más ampliamente y asiduamente en la industria química para que las corrientes del proceso alcancen la temperatura deseada, y para conseguir el máximo ahorro de energía posible. Por esto último se suelen enlazar corrientes a calentar con corrientes a enfriar para que el consumo de energía Adicional sea mínimo.
Elección del tipo de intercambiador
Los factores más importantes para la elección del tipo adecuado de intercambiador para un servicio concreto son los siguientes:
Temperaturas de trabajo, y estado de agregación de los fluidos. Presiones de las corrientes y perdidas de presión admisibles. Caudales de los fluidos. Posibilidades de ensuciamiento del aparato. Acción corrosiva de los fluidos. Espacio disponible para la instalación. Factor económico.
Para la instalación de la planta se diseñaran intercambiadores de calor en contracorriente del tipo de carcasa y tubos, debido a las ventajas que este posee, Además, se ha escogido este tipo de intercambiador por las condiciones de operación debido a que los caudales a enfriar y calentar son elevados, además de que el calor intercambiado debe ser también bastante alto.
Figura. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (Mc Cabe, Smith , 2007)
72
Se empleara este tipo de intercambiadores de calor, además porque son muy eficaces y son los que más se usan en la industria, por lo que más fácilmente se podrá encontrar un proveedor para la compra de estos equipos.
Normativa y código de diseño de intercambiadores de carcasa y tubos
El código empleado para el diseño de los intercambiadores de calor es el ASME (“American Society of Mechanical Engineers”) “Boiler and Pressure Vessels Code”), y en particular, la Sección VIII relativa a recipientes a presión (División 1),
la cual establece las normas mínimas de construcción. Para el diseño de los tubos, el código remite a la norma ANSI B31.3. Las Normas TEMA (“Standards of Tubular Exchanger Manufacturers Association”)
especifican las características mecánicas y térmicas correspondientes a las diversas condiciones de funcionamiento. Concretamente, esta norma sirve para complementar y definir el código ASME para todas las aplicaciones de intercambio de calor de tipo de coraza y tubos. · Los tubos estarán construidos con Acero Carpenter 20 Mo-6 debido a ser resistente a las atmosferas de formaldehido. · La carcasa, al no estar en contacto con formaldehido, se construirá de Acero SA240 (AISI 316L).
Selección de la trayectoria del flujo
Uno de los aspectos más importantes en el diseño de un intercambiador de calor de carcasa y tubos es la elección del fluido circula por la carcasa y de la corriente que circule por el interior de los tubos, esta se hará teniendo en cuenta la heurista de la tabla 9.11 del charter 9 del libro de Tourton. Se elige que la corriente caliente) circule por tubos y la corriente fría (agua de refrigeración) circule por la carcasa. Se ha decidido esta trayectoria de flujo debido a que la corriente caliente posee formaldehido, que es un compuesto corrosivo.
Tubos
Los tubos se encuentran situados en el interior de la carcasa y paralelamente a ella, y son los componentes básicos de los intercambiadores. Se usan de diámetros comprendidos entre 5/8 a 2 pulgadas, siendo los diámetros mas pequeños, es decir, diámetros entre 5/8 y 1 pulgadas, los que se prefieren para la 73
mayoría de servicios debido a que proporcionan intercambiadores más compactos, y por tanto más económicos. Los tubos de mayor diámetro, en cambio, tienen la ventaja de que son más fáciles de limpiar por métodos mecánicos y se suelen seleccionar para fluidos que posean un alto grado de suciedad. Los tubos del intercambiador de calor presentan un diámetro nominal de 1,25 pulgadas, calibre BWG 13 Los tubos pueden disponerse de forma triangular o cuadrangular. La distribución cuadrada presenta como ventajas el tener una mayor accesibilidad al limpiado externo de los tubos y una menor caída de presión. La distribución triangular proporciona, en cambio, un mayor coeficiente de transmisión de calor y un mayor número de tubos en la carcasa para una misma separación entre los centros de los tubos. El inconveniente que presenta la configuración triangular es una mayor caída de presión y una peor accesibilidad en su limpieza. Dado a que aunque la cantidad de calor a intercambiar es elevada, se elige la distribución cuadrada debido a que al pasar un compuesto bastante toxico por los tubos (el formaldehido), las garantías de seguridad durante la limpieza deben ser máximas, por lo que esta distribución hará las labores de limpieza más sencillas.
Número y longitud de los tubos
La ecuación que permite el cálculo del número de los tubos es la siguiente:
Siendo v la velocidad de paso del fluido por el interior de los tubos, la densidad de ese fluido y mf el caudal másico del fluido (lo que hemos denominado anteriormente como W).
Coeficiente global de transferencia de calor
74
Se calcula a continuación la longitud de los tubos mediante la ecuación de definición del área de un cilindro aplicada al conjunto de los tubos:
Despejo la longitud
Una vez calculado este flujo de calor por la anterior formula o con un balance de energía y se conocen temperaturas del intercambiador con el correspondiente flujo másico se sabe también la capacidad del mismo, suponemos un diámetro y hallamos la longitud del tubo con la formula anterior mente descrita por lo que es posible dirigirse a la página http://www.hcheattransfer.com/tools.html y esta nos da el número de tubos, el área de transferencia y los distintos datos que necesito para su cotización de costo.
10.7.1.
INTERCAMBIADOR DE CALOR E-101
CONDICIONES DE OPERACIÓN Y DISEÑO
METANOL VAPOR DE AGUA
0,97 0,78
Densidad (kg/m3)
PROPIEDADES
4,41
Cp. (kJ/(kg°k)) Coeficiente de Transferencia de calor local UL (W/(m^2°C))
491
Coeficiente global de Transferencia de calor UG W/(m^2°C)
116
306
Temp. Entrada CONDICIONES DE OPERACIÓN
0,93
Temp. Salida Flujo másico (kg/h)
31.13
180
150
155
2615,98 75
Calculo del Q ganado por el metanol:
̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇
Flujo másico de vapor requerido para calentar el metanol hasta 150°C, de acuerdo a la ecuación de energía de un intercambiador
Calcular LMTD
( )( )
U se calcula a partir de los coeficientes locales de transferencia de calor (Vapor de agua y metanol) con la siguiente grafica:
76
Ilustración 1Diagrama para cálculo de coeficientes locales de transferencia
77
Los coeficientes locales de transferencia de calor reportados en la bibliografía según son
1
2
Trazo una línea que una estos 2 puntos con cada uno de los ejes y leo el valor de la intersección con la línea que demarca el coeficiente global de transferencia de calor
Ya se puede calcular el área de intercambio de calor mediante la Ecuación
Dimensionamiento intercambiador E-101
Tipo de F luido Á rea de trans ferencia de calor Flujo de vapor requerido Flujo de entrada Calor i ntercambiado(Q) LTDM 10.7.2.
Mezcla metanol- agua 11,97 = 128,85
22 kg/h
2615,98 kg/h 242550kJ/h 66,19°C
INTERCAMBIADOR DE CALOR E-102
Condiciones de operación y Diseño AIRE
CONDICIONES DE OPERACIÓN Y DISEÑO
VAPOR DE AGUA
1,17 0,24
Densidad (kg/m3)
PROPIEDADES
0,93 4,41
Cp. (kJ/(kg°k)) Coeficiente de Transferencia de calor local UL (W/(m^2°C))
118
Coeficiente global de Transferencia de calor UG W/(m^2°C)
109
114
1
Miller K.S.,.R.P.Singh y B.E.Farcas: Vistocity and heat transfer coefficients for canola, corn, palm and soybean Oil. Journal of food Process, and preservation: 18,461-472 2 Cengel, Pransferencia de calor, 3 ed, Mc Graw Hill, México 2001, p.p. 730
78
CONDICIONES DE OPERACIÓN
Temp. Entrada
37,3
180
Temp. Salida
150
155
Flujo másico (kg/h)
5970
Calculo del Q ganado por el AIRE:
̇ ̇ ̇
Flujo másico de vapor requerido para calentar el airel hasta 150°C, de acuerdo a la ecuación de energía de un intercambiador
Calcular LMTD
̇ ) ( )( U se calcula a partir de los coeficientes locales de transferencia de calor con el Diagrama para cálculo de coeficientes locales de transferencia:
Los coeficientes locales de transferencia de calor reportados en la bibliografía según son
3
4
Trazo una línea que una estos 2 puntos con cada uno de los ejes y leo el valor de la intersección con la línea que demarca el coeficiente global de transferencia de calor 3
Miller K.S.,.R.P.Singh y B.E.Farcas: Vistocity and heat transfer coefficients for canola, corn, palm and soybean Oil. Journal of food Process, and preservation: 18,461-472 4 Cengel, Pransferencia de calor, 3 ed, Mc Graw Hill, México 2001, p.p. 730
79
Ya se puede calcular el área de intercambio de calor mediante la Ecuación
Dimensionamiento intercambiador E-102
Tipo de Fluido
aire
Á rea de trans ferencia de calor Flujo de vapor requerido Flujo de entrada Calor intercambiado(Q) LTDM
10.7.3.
= 237,67
22,08
INTERCAMBIADOR DE CALOR E-103
Condiciones de operación y Diseño CONDICIONES DE OPERACIÓN Y DISEÑO
MEZCLA VAPOR DE AGUA
1,17 0,95
Densidad (kg/m3)
PROPIEDADES
4,41
Cp. (kJ/(kg°k)) Coeficiente de Transferencia de calor local UL (W/(m^2°C))
807
Coeficiente global de Transferencia de calor UG W/(m^2°C)
647
727
Temp. Entrada CONDICIONES DE OPERACIÓN
0,93
Temp. Salida Flujo másico (kg/h)
89,31
120
102
105
4391.52
80
Calculo del Q ganado por el MEZCLA:
̇ ̇ ̇ ̇
Flujo másico de vapor requerido para calentar el mezcla hasta 102°C, de acuerdo a la ecuación de energía de un intercambiador
Calcular LMTD
) ( )( U se calcula a partir de los coeficientes locales de transferencia de calor con el Diagrama para cálculo de coeficientes locales de transferencia:
Los coeficientes locales de transferencia de calor reportados en la bibliografía según son
Trazo una línea que una estos 2 puntos con cada uno de los ejes y leo el valor de la intersección con la línea que demarca el coeficiente global de transferencia de calor
Ya se puede calcular el área de intercambio de calor mediante la Ecuación
81
Dimensionamiento intercambiador E-103
Tipo de Fluido Á rea de trans ferencia de calor Flujo de vapor requerido Flujo de entrada Calor intercambiado(Q) LTDM 10.7.4.
Mezcla
= 46,61
INTERCAMBIADOR DE CALOR E-106
Condiciones de operación y Diseño MEZCLA
CONDICIONES DE OPERACIÓN Y DISEÑO
AGUA
1,17 1,002
Densidad (kg/m3)
PROPIEDADES
4,18
Cp. (kJ/(kg°k)) Coeficiente de Transferencia de calor local UL (W/(m^2°C))
752
Coeficiente global de Transferencia de calor UG W/(m^2°C)
CONDICIONES DE OPERACIÓN
227
489
Temp. Entrada
48
25
Temp. Salida
30
35
Flujo másico (kg/h)
1
6140
Calculo del Q ganado por LA MEZCLA
̇ ̇ ̇ ̇ 82
Flujo másico de agua requerido para enfriar la mezcla hasta 30°C, de acuerdo a la ecuación de energía de un intercambiador
Calcular LMTD
̇ ̇ ) ( )( U se calcula a partir de los coeficientes locales de transferencia de calor con el Diagrama para cálculo de coeficientes locales de transferencia:
Los coeficientes locales de transferencia de calor reportados en la bibliografía según son
5
6
Trazo una línea que una estos 2 puntos con cada uno de los ejes y leo el valor de la intersección con la línea que demarca el coeficiente global de transferencia de calor
Ya se puede calcular el área de intercambio de calor mediante la Ecuación
5
Miller K.S.,.R.P.Singh y B.E.Farcas: Vistocity and heat transfer coefficients for canola, corn, palm and soybean Oil. Journal of food Process, and preservation: 18,461-472 6 Cengel, Pransferencia de calor, 3 ed, Mc Graw Hill, México 2001, p.p. 730
83
Dimensionamiento intercambiador E-106
Tipo de F luido Á rea de trans ferencia de calor Flujo de ag ua requerido Flujo de entrada Calor i ntercambiado(Q) LTDM 10.7.5.
Mezcla
= 291,17
INTERCAMBIADOR DE CALOR E-100
MEZCLA
CONDICIONES DE OPERACIÓN Y DISEÑO
AGUA
1,17 0,25
Densidad (kg/m3)
PROPIEDADES
4,18
Cp. (kJ/(kg°k)) Coeficiente de Transferencia de calor local UL (W/(m^2°C))
118 109
Coeficiente global de Transferencia de calor UG W/(m^2°C)
CONDICIONES DE OPERACIÓN
114
Temp. Entrada
343
25
Temp. Salida
165
76
Flujo másico (kg/h)
1
6988.65
Calculo del Q ganado por LA MEZCLA
̇ ̇ ̇ ̇ 84
Flujo másico de agua requerido para enfriar la mezcla hasta 165°C, de acuerdo a la ecuación de energía de un intercambiador
Calcular LMTD
̇ ̇ ( )( )
U se calcula a partir de los coeficientes locales de transferencia de calor con el Diagrama para cálculo de coeficientes locales de transferencia:
Los coeficientes locales de transferencia de calor reportados en la bibliografía según son
Trazo una línea que una estos 2 puntos con cada uno de los ejes y leo el valor de la intersección con la línea que demarca el coeficiente global de transferencia de calor
Ya se puede calcular el área de intercambio de calor mediante la Ecuación
85
Dimensionamiento intercambiador E-100
Tipo de F luido Á rea de trans ferencia de calor Flujo de ag ua requerido Flujo de entrada Calor i ntercambiado(Q) LTDM
Mezcla
= 131,11
10.8. DISEÑO DE MEZCLADORES El diseño del mezclador se basara, al igual que ocurrirá con los depósitos de almacenamiento, en la publicación que realiza el Instituto Americano del Petróleo, al que esta institución designa como “STANDAR A.P.I. 650” Se diseña el mezclador como un tanque de almacenamiento para un caudal de salida de 19891 Tm/ano (se suma el caudal de agua con el del formaldehido en agua) y para un periodo de almacenamiento de 30 minutos: Para el diseño de los tanques de mezclado se basó en el supuesto que las corrientes de proceso se mezclan y tardan 30 min en salir del tanque (tiempo de residencia), este valor es tomado de la referencia [18], en donde se diseñan dichos tanques de esa manera y argumentan que es el tiempo típico de residencia. Diseño de la agitación Para el diseño de la agitación se usaran las expresiones que se encuentran en el libro de S.M. Walas, 1988. Se pueden ver a continuación un extracto de las expresiones.
86
Como se puede observar en la figura la potencia requerida para el agitador es de 5 HP caballos de vapor, C.V.) Por cada 1000 galUS. 10.8.1. Mezclador MIX-103
Primeramente, se va a realizar el cálculo del volumen necesario del tanque para su mezclado; así se va a considerar un tiempo de 30 minutos. Teniendo en cuenta que el caudal de entrada de metanol es de 2,27 TON/h, y la masa del reciclo es 0,34598 TON/h para mezclar estas dos corrientes.
Ahora se calcula el volumen de Metanol a almacenar teniendo en cuenta la densidad de la mezcla que es de 0,7918 TON/m3. Por lo tanto, el volumen útil del depósito se determina:
Se toma ahora como margen de seguridad un 10%, ya que estos depósitos están diseñados para la realización de pruebas al producto y no como almacenamiento.
87
Dimensionamiento del mezclador MIX-103 1
Número de tanques
Caudal de salida Capacidad del tanque Diámetro del tanque Altura del tanque
30 min
Tiempo de residencia
10.8.2. Mezclador MIX-101
Primeramente, se va a realizar el cálculo del volumen necesario del tanque para su mezclado; así se va a considerar un tiempo de 30 minutos. Teniendo en cuenta que el caudal de entrada de la mezcla metanol-agua es de 2,61 TON/h, y la masa de aire es 5,97 TON/h estas dos corrientes entran para mezclar una masa total de 8,58TON/h
Ahora se calcula el volumen de Metanol a almacenar teniendo en cuenta la densidad de la mezcla que es de 1,17 TON/m3. Por lo tanto, el volumen útil del depósito se determina:
Se toma ahora como margen de seguridad un 10%, ya que estos depósitos están diseñados para la realización de pruebas al producto y no como almacenamiento.
88
Dimensionamiento del mezclador MIX-101 1
Número de tanques
Caudal de salida Capacidad del tanque Diámetro del tanque Altura del tanque
30 min
Tiempo de residencia
10.8.3. Mezclador MIX-102
Primeramente, se va a realizar el cálculo del volumen necesario del tanque para su mezclado; así se va a considerar un tiempo de 30 minutos. Teniendo en cuenta que el caudal de entrada de formaldehido es de 2,27 TON/h, y la masa de agua es 3,87 TON/h estas dos corrientes entran para mezclar una masa total de 6,14TON/h
Ahora se calcula el volumen de Metanol a almacenar teniendo en cuenta la densidad de la mezcla que es de 0,9855 TON/m3. Por lo tanto, el volumen útil del depósito se determina:
Se toma ahora como margen de seguridad un 10%, ya que estos depósitos están diseñados para la realización de pruebas al producto y no como almacenamiento.
89
Dimensionamiento del mezclador MIX-102 1
Número de tanques
Caudal de salida Capacidad del tanque Diámetro del tanque Altura del tanque
30 min
Tiempo de residencia
10.9. RESUMEN DIMENSIONAMIENTO DE LOS de EQUIPOS A continuación se DEL muestra un resumen de los valores las dimensiones de los respectivos equipos que hacen parte de la producción de Formaldehido: E q uip o
TANQUES DE ALMACENAMIENTO (Metanol) 1 y 2 Denominacion
V- 1 00 ,V- 1 01
Tanque de acopio deMetanol DATOS GENERALES
3 Capacidad [m ]
Al t u r a[ m]
D i a me t r o[ m]
1032, 08
10, 96
11, 48
M a t e r i al A c e r oI no x i d abl e316
Po s i c i ó n V e rt i c a l
Equipo
TANQUES DE ALMACENAMIENTO (Formaldehido) 3 y 4 Denominacion
Pe s o[ K g ] 13452, 02899
V-102, V-103
Tanque de acopio de Formaldehido DATOS GENERALES
3 Capacidad [m ]
Al t u r a[ m]
D i a me t r o[ m]
1151, 37
11, 04
11, 52
M a t e r i al A c e r oI no x i d abl e316
Po s i c i ó n V e rt i c a l
Pe s o[ K g ] 11034, 98078
Tabla 21. Especificación resumida de dimensionamiento de equipos. Fuente: Autores 90
E qu ip o
TORRE DE ABSORCION Denominacion
T -101
Torre de absorción empacada DATOS GENERALES
3 Capacidad [m ]
Al t u r a [ m]
12, 79
12, 31
D i ame t r o [ m] 1, 15
M at e r i a l
P e s o e mp aq u e [ K g ]
A ce roI n o x i d a b l e316
10245, 65
E qu ip o
TORRE DE DESTILACION Denominacion
P e s o t o t al [ K g ] 11394, 3285
T -102
Torre de destilacion DATOS GENERALES
3 Capacidad [m ]
Al t u r a [ m]
62, 51
10, 06
D i ame t r o [ m] 2, 82
M at e r i a l
P e s o e mp aq u e [ K g ]
A ce roI n o x i d a b l e316
20456
Equipo
COMPRESOR
P e s o t o t al [ K g ] 22746, 57
C-100
Denominacion DATOS GENERALES C ai d ad ep r e s i o n( K P a) E f i c i e n c i a( % )
P o t e n c i a( h p ) 352, 85
139, 93
MATERIAL
5011, 9
E qu ip o
BOMBAS Denominacion
P-101
Bomba centrifuga DATOS GENERALES C ai d ad ep r e s i o n( K P a) E f i c i e n c i a( % )
P o t e n c i a( h p )
P E S O[ K g ]
Acero al carbon
75
0, 2
139, 93
Material
P e s o[ K g ]
Acero inoxidable 316
75
Equipo
34, 99
P-103
BOMBAS Denominacion
Bomba centrifuga DATOS GENERALES C ai d ad ep r e s i o n( K P a) E f i c i e n c i a( % )
P o t e n c i a( h p ) 0, 48
18, 68
BOMBAS
0, 05
P e s o[ K g ]
E qu ip o
Denominacion P o t e n c i a( h p )
Material Acero inoxidable 316
75
73, 32
P-104
Bomba centrifuga DATOS GENERALES C ai d ad ep r e s i o n( K P a) E f i c i e n c i a( % ) 16, 33
Material
P e s o[ K g ]
Acero inoxidable 316
75
E qu ip o
REACTOR DE FLUJO PISTON
45, 8
P F R - 10 0
DATOS GENERALES 3
Capacidad [m]
Al t u r a[ m]
8, 45
3, 5
D i ame t r o[ m] 1, 75
M at e r i a l A ce roI n o x i d a b l e316
Po sició n V e rt i ca l
P e s o[ K g ] 305, 78
Tabla 21. Especificación resumida de dimensionamiento de equipos. Fuente: Autores 91
Equipo
MEZCLADORES
MIX-101
DATOS GENERALES 3
Altur a[m]
Capacidad [m ]
4, 0 26
Diame t ro[ m]
1, 69
M at e r ial
1 , 74
A c e r oI n o x i d a b l e3 0 4
Posició n
Equipo
MEZCLADORES
Pe so[Kg]
H o ri zo n ta l
275, 354
M IX-102
DATOS GENERALES 3 Capacidad [m ]
Altur a[m]
3, 42
Diame t ro[ m]
1, 59
M at e r ial
1 , 66
A c e r oI n o x i d a b l 3e0 4
Posició n
Equipo
MEZCLADORES
Pe so[Kg]
H o ri zo n ta l
232, 012
M IX-103
DATOS GENERALES 3 Capacidad [m ]
Altur a[m]
1, 82
Diame t ro[ m]
1, 28
INTERCAMBIADORES DE CALOR
2
Area efectiva de transferencia] [m Peso equipo [Kg]
A c e r oI n o x i d a b l 3e0 4
Posició n
Pe so[Kg]
H o ri zo n ta l
200, 364
EQUIPOS
E-100
DATOS GENERALES Tipo de intercambiador (carcaza-tubo) Material Flujo de vapor requerido (kg/h) Calor intercambiado [Kj/h]
M at e r ial
1 , 34
V a po r- V a po r Ac er o I no xid ab le 304 1 28 1 , 6 8 - 2 7 3 2 3 0, 0 0 12 , 18 624, 54
E- 1 0 1 V a po r- l i q ui d o Ac er o I no xid ab le 304 22 2 12 5 5 0 11, 97 1730, 98
E-102
E- 1 0 3
E- 1 0 6
V a p o r- V a p o r Li q ui d o -Li q ui do Ac er o I no xid ab le 304 Ac er o I no xid ab le 304 1 4 6 4, 6 4 1464, 64 1 6 1 4 7 6, 56 5 2 9 41 , 96 22, 08 4, 33 1 1 1 5, 6 4 2 3 5, 75
Li qu i d o -Li q ui d o Ac er o I no xid ab le 304 26 4 9 , 3 - 1 1 07 4 1 , 0 4 27, 05 1385, 92
Tabla 21. Especificación resumida de dimensionamiento de equipos. Fuente: Autores OBSERVACIONES -SISTEMA DE BOMBEO: Se usarán bombas centrifugas verticales sumergidas, con una carcasa de acero inoxidable 316. -TORRES DE ABSORCIÓN: Su configuración estará dispuesta en forma vertical, construida su carcasa en acero inoxidable 304. Tendrá un revestimiento de ladrillo antiácido, además un relleno de monturas cerámicas Intalox Saddles 1 inch soportado en un bloque de parilla antiácido. -REACTOR CATALÍTICO: Reactor multitubular catalizado, con un solo paso por tubo y un paso por carcasa, con un número de tubos 600 de acero inoxidable 316. El material seleccionado para la carcasa es el acero inoxidable 316, debido a ser el agua unLacompuesto no corrosivo debidoplacas también a la temperatura de operación. carcasa dispondrá de ycuatro deflectoras que son las responsables de provocar la agitación del fluido que circula por el exterior de los tubos mejorando así la transmisión de calor. 92
La disposición del catalizador de óxido de plata en el interior de los tubos obliga a que éstos solo pueden recorrer un paso. Debido a que el fluido que circula por el interior de los tubos es corrosivo (el formaldehido) y a la alta temperatura, el material empleado es el acero inoxidable 316 por ser recomendado para atmósferas de formaldehido. Con la finalidad de facilitar las tareas de mantenimiento y limpieza se ha optado por una disposición cuadrada de los tubos en el interior de la carcasa. Para evitar que las partículas de catalizador contenidas en el interior de los tubos salgan al exterior de éstos, se instalarán finas mallas metálicas en sus extremos. El tamaño de poro inferior de éstas mallas debe ser inferior al diámetro de partícula, y éstas mallas se deben cambiar a la vez que se realice la reposición del catalizador (es decir, una vez al año). -MEZCLADORES: En cuanto este tipo de accesorios se usarán mezcladores de flujos los cuales con solo introducir los materiales por medio de una bomba se produce la mezcla por interferencia de sus flujos corrientes. Cabe resaltar que se omite el dimensionamiento de estos equipos ya que hace parte de la línea de tubería debido a que en naturaleza no se trataría de un equipo sino un acople de la tubería.
11. LOCALIZACION DE L APLANTA El fin perseguido en esta sección es la elección del lugar que permitirá reunir los materiales necesarios, realizar los procesos de fabricación y entregar el producto a los clientes con el costo total más bajo posible contribuyendo en mayor medida a que se logre la mayor tasa de rentabilidad sobre el capital invertido, siendo así la ubicación de la planta determinante para su éxito durante la operación (UNT Facultad Regional del Rosario, 2014).
Para escoger la ciudad que brinde las mejores condiciones se utiliza un método que pondera los distintos factores de peso (geográficos, institucionales, sociales y económicos) encontrando así la mejor opción.
FACTORES DE PESO A continuación se muestra como se realizó la selección de las posibles ciudades donde se ubicará el proyecto, teniendo en cuenta dos factores: la localización de los proveedores y la localización de los clientes. Esta primera selección de hace con el fin de facilitar el transporte, acceso a materias primas y distribución del producto, ya que debido a situación de orden público del país cualquier amenaza o bloqueo en las carreteras por protestas podrían atrasar las entregas de los
93
productos así mismo como la llegada de los insumos, siendo un factor determinante para la decisión final.
11.1. LOCALIZACION DE LOS PROVEEDORES Debido a que el principal inconveniente está representado en la disponibilidad de la materia prima, la planta debe ubicarse en sectores próximos a o proveedores disponibles para reducir los costos por transporte. Se tiene en cuenta que los principales distribuidores se encuentran ubicados en la zona centro y oriente del país (Paginasamarillas.com, 2014) (LEGIScomex.com, 2014).
Proveedor Pais Methanex Chile Distribuidor en Colombia: Acepalma Brenntag Latin America Colombia M&A Chemicals Corp. Agencia De Alcohol El As Ltda. Petroquímicos De Antioquia S.A. La agencia metanol Pintudisolva Ltda Interquim S:A C I CONALEX LTDA
China Colombia Colombia Colombia Colombia Colombia Colombia
Departamento
Antioquia, Cundinamarca y Valle del cauca Cundinamarca Antioquia Antioquia Valle del Cauca Antioquia Cundinamarca
Tabla 22. Localización de proveedores. Fuente: Autores
11.2. LOCALIZACION DE LOS CLIENTES La planta debe ubicarse en una zona donde existan industrias que puedan aprovechar el formaldehido. A nivel nacional los clientes están focalizados en el sector de la construcción y el sector agropecuario siendo las economías de mayor crecimiento actualmente (Asociación Nacional de Empresarios de Colombia ANDI, 2013). En el sector de construcción, según el directorio de la Cámara Colombiana de la construcción CAMACOL, la mayor parte de la industria de aislamientos y adhesivos para maderas se encuentran en los departamentos de Antioquia y Cundinamarca (Cámara Colombiana de la Construcción - CAMACOL, 2014).
94
En el sector agropecuario, según las estadísticas de la Federación Nacional de Cultivadores de Cereales FENALCE, los granos con mayor producción y por lo tanto demandan la mayor cantidad preservantes a nivel nacional son: arroz, maíz, frijol, arveja, soya, sorgo, avena, cebada y trigo; presentes los departamentos de Cundinamarca, Boyacá, Tolima y Huila (Federación nacional cultivadores de cereales y leguminosas - FENALCE, 2013)
11.3. SELECCIÓN DE CIUDADES Con los dos factores anteriormente analizados se concluye que las posibles locaciones de la planta son en los departamentos de Antioquia y Cundinamarca. Se decide por poner la planta en operación en zona franca permanente, aprovechando los beneficios aduaneros y tributarios que esto conlleva. En el departamento de Antioquia se encuentran disponibles la ZFP Rionegro, la ZFP Urabá y la ZF Internacional Valle de Aburrá (ZOFIVA). El departamento de Cundinamarca se encuentran disponibles la ZFP Zofrandina S.A.S, la ZFP Bogotá, la ZFP de Occidente y la ZFP Tocancipá (LEGIScomex.com, 2014)
FACTORES DE PESO ADICIONALES A continuación se comparan factores adicionales de peso a tener en cuenta para la selección final del departamento de localización de la planta:
11.4. SUMINISTRO DE ENERGIA Y COMBUSTIBLES Según el departamento de minas y energía, durante el 2011 y 2012 en Antioquia se encontró la mayor capacidad de proyectos de generación de energía registrados como se puede observar en el siguiente gráfico
Figura 25. Suministro de energía y combustibles Fuente: departamento de minas y energía. 95
Esto es congruente con el índice de cobertura de energía eléctrica, a Antioquia y a Bogotá les corresponde aproximadamente el 90% y a Cundinamarca en general el 40% (Ministerio de minas y energías, 2012-2013). En cuanto a tarifas del servicio para el sector industrial se tiene la siguiente comparación:
Antioquia (Empresas Cundinamarca (Empresa públicas de medellín de Energía de E.S.P, 2014) Cundinamarca eec, 2014) 478 $/kWh 554 kWh Tabla 23. Tarifas para el sector industrial 11.5. SUMINISTRO DE AGUA ESTUDIO ECONOMICO El departamento de Antioquia cuenta con un oferta hídrica de aproximadamente 194 kilómetros cúbicos, ubicándose entre uno de los territorios más ricos en agua en el ámbito nacional (Universidad Pontificia Bolivariana - UPB, 2013). Las tarifas del servicio de acueducto y alcantarillado, en los dos departamentos se comparan a continuación:
Cargo fijo [$/instalación]
Antioquia (Empresas Publicas de Medellin E.S.P, 2014) Acueducto Alcantarillado 10442 4774
Cundinamarca (acueducto: agua, alcantarillado y aseo de Bogotá, 2014) Acueducto Alcantarillado 21440 9870
1478 2212 3162 2158 Cargo por consumo [$/m3] Tabla 24. Tarifas de servicio de acueducto y alcantarillado
11.6. SELECCIÓN FINAL DE LA LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA Se determinó el peso correspondiente a cada factor según los análisis anteriores y se realizó la asignación de puntaje para cada región: las calificaciones varían de 0 a 10, siendo 0 la No existencia o deficiencia del factor y 10 las mejores condiciones esperadas; finalmente se halló la puntuación correspondiente que se muestra a continuación: Factor 1 2 3 4
Peso
Calificación Antioquia Cundinamarca 0,3 7 4 0,3 6 7 0,2 8 5 0,2 8 5 Puntuación 7,1 5,3 Tabla 25. Puntuación de cada región Fuente: Autores 96
Teniendo en cuenta los resultados del método de factores de pesos anteriores, se concluye que la localización de la planta debe ser en el departamento de Antioquia, ya que la otra opción disponible es desfavorable. De las tres zonas disponibles en el departamento de Antioquia, se opta por una zona portuaria conectada a la red nacional de vías y cercana del centro del país, que permita facilitar logística de importación y exportación en caso de ser necesario. La opción final es zona industrial conexa al puerto Turbo en Urabá (Antioquia).
Figura 26. Localización de la planta final. Geográficamente, El Puerto de Urabá está localizado en Boca Tarena, zona ubicada sobre el litoral occidental del Golfo de Urabá, en la bahía el Rotico y el brazo más septentrional del Atrato que marca el límite entre los departamentos de Antioquia y Chocó (LEGIScomex.com, 2013) 11.7. COSTO DEL TERRENO En la región de Turbo, Antioquia, el precio del metro cuadrado sin construir oscila entre $25.000 - $40.000 y construido entre $600.000 - $800.000 (Mitula.com, 2014). 11.8. DISTANCIAS Y COSTO DE TRANSPORTE La distancia aproximada desde Turbo hasta el centro del país es 800 km, con un tiempo de trayecto entre 16 y 18 horas (Google Maps, 2014). En Colombia el costo de mover una tonelada por kilómetro es de 6 centavos de dólar (LEGIScomex.com, 2013), por lo que el costo de transportar materiales y materas primas desde o hacia el centro del país es de aproximadamente 26 USD/tonelada. 97
ESTUDIO ECONOMICO 12. COSTO DE OPERACIÓN Para la estimación de los costos de operación de la planta de formaldehido se debe tener en cuenta el cálculo de los costos de manufactura. Los cálculos de los factores del COM fueron basados según la tabla 6.2 TURTON, R., Analysis, Synthesis and Design of Chemical Process. Prentice Hall. Cuarta Edition. 2012. Capítulo 6.
Dónde:
12.1. CRM (COSTOS DE MATERIAS PRIMAS) Para este factor se tiene en cuenta el costo de las materias primas del proceso. En este ítem se considera la proyección de ventas de los dos insumos principales en la producción de formaldehido: el metanol líquido y el óxido de plata.
Proyección de ventas de metanol líquido y oxido de plata
Basados en los datos estadísticos del DANE desde el año 2005 hasta el 2011 se hace la proyección hasta el año 2026 del precio unitario por tonelada de insumo mediante la herramienta tendencia de EXCEL la cual ajusta los datos a un comportamiento lineal, se pueden leer más fácil los valores correspondientes a cada año, y se obtiene la siguiente tabla:
Año
Valor [COP/Ton]
2005 2006 2007 2008 2009 2010
943.035 1.273.663 1.166.911 2.675.521 2.154.799 1.529.717
2011 2012 2013 2014
1.441.309 2.025.682 1.989.522 1.919.732 98
2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023
1.662.046 1.796.113 1.928.405 1.919.640 1.811.023 1.822.452 1.855.579 1.901.593 1.872.629
2024 2025 2026
1.850.351 1.861.107 1.885.405
Tabla 26. Datos de proyección anual del precio del metanol. Fuente DANE
También, se hizo lo mismo para el catalizador (oxido de plata), tomando como referencia los datos facilitados por el DANE que también cubrían a partir del año 2005 y hasta el año 2011, haciendo la proyección de la misma manera que con el metanol se obtuvieron datos hasta el 2026 que también se mostraran como tabla de Excel para favorecer su lectura.
Año 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025
Valor [COP/Ton] 252.621.229 236.832.080 129.994.527 155.810.983 191.705.882 949.155.774 315.989.909 558.367.881 666.828.570 786.821.926 868.167.319 913.227.505 897.654.706 1.094.730.030 1.140.420.319 1.204.847.031 1.269.421.811 1.345.462.409 1.430.874.247 1.516.219.347 1.569.709.483 99
2026
1.649.859.886
Tabla 27. Datos de proyección anual del precio del óxido de plata. Fuente DANE
Para ver el costo total de la materia prima (Ver ANEXO 3-EXCEL-COSTO MATERIAS PRIMAS) Tabla 28. Costo total de materias primas. Fuente: Autores Año 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026
Metanol
Costo Materia [COP/año] 44.503.227.089 38.529.555.205 41.637.487.762 45.918.863.684 45.710.169.440 43.123.793.542 43.395.924.665 44.184.743.041 45.280.427.776 44.590.745.210 44.060.254.015 44.316.388.266 44.894.960.223
Oxido de plata
Costo Materia [COP/año] 143.988.412.386 158.874.619.430 167.120.633.469 163.821.983.900 199.788.230.398 208.126.708.266 219.884.583.164 231.669.480.504 245.546.889.597 261.134.550.166 276.710.030.776 286.471.980.605 301.099.429.283
Costo total 188.491.641.489 197.404.176.651 208.758.123.248 209.740.849.601 245.498.401.856 251.250.503.827 263.280.509.849 275.854.225.566 290.827.319.395 305.725.297.399 320.770.286.815 330.788.370.896 345.994.391.532
12.2. FCI (INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO) Interviene costo de equipos, fletes de transporte de materia prima y catalizadores, mantenimiento y precios del terreno. Se trabajaran los mismos valores para todos los años y la inflación no será un valor que lo afecte; ya que este no cambia notoriamente a través de los años. Además el término de mantenimiento se fijó al 8% de los costos totales de los equipos.
COSTOS DE EQUIPOS Los cálculos de los costos de los equipos se realizan teniendo en cuenta las características de cada uno de ellos y en ocasiones algunas correlaciones de costo, sin embargo la mayoría de costos de equipos se basan en la utilización de una herramienta informática de cálculo.
Para los empaques de las torres de absorción se hace la cotización mediante la página web , esta empresa se encuentra ubicada Roseville/ USA. Los costos de equipos radican en el valor del transporte terrestre desde esta ciudad hasta el puerto de la ciudad de New York, el transporte marítimo desde New York hasta el puerto de turbo y el transporte terrestre hasta el lugar de ubicación de la planta.
100
Para el costo de los intercambiadores de calor E-106, E-100, E-101, E-102, E103, los tanques de almacenamiento V-100, V-101 V-102, V-103,la torre de absorción T-101, la torre de destilación T-102,mezcladores MIX-101,MIX103,compresor C-101 Y por último el reactor PFR se cotizan en línea en la página siendo un simulador de equipos industriales. En esta página se visualiza una interfaz que presenta una lista de equipos posibles a los que se les puede consultar el precio FOB (Incluye costo de traslado desde la fábrica hasta cualquier Puerto marítimo en USA), una vez se accede al tipo de equipo, de acuerdo a las dimensiones y especificaciones que el mismo programa solicita; se genera los costos para el año 2014
Para el costo de las bombas se hace mediante las expresiónes que se encuentran en el capitulo 3 y las tablas y gráficas del apéndice A del libro de la TURTON, R., Analysis, Synthesis and Design of Chemical Process. Prentice Hall. Cuarta Edition. 2012.para seguir el proceso detallado ver ANEXO 3 Se calcula el precio de una bomba centrifuga en el año 2001 que posteriormente se proyectan al año 2014 por medio de la ecuación teniendo en cuenta el CEPCI y la siguiente fórmula: = ( / )
CA = Costo del equipo en la fecha a estimar CB = Costo conocido del equipo en la fecha que lo data IA = Index del año a estimar precio(2014)= 600,89 IB = Index del año precio conocido (2007)= 397 Debido a que el valor arrojado por la página incluye el costo de traslado hasta cualquier puerto marítimo en Estados Unidos, no es necesario determinar una
ubicación de la fábrica se enconsulta USA para dichos costos de exacta transporte marítimo cuál es el equipos, puerto enpero USApara másdisminuir cercano al de Turbo (Antioquia)/Colombia, siendo el de Houston, Texas. Adicionalmente se tiene en cuenta el transporte terrestre desde TURBO hasta la ubicación de la planta en la vía a Medellín.
Observaciones: Las distancias terrestres fueron consultadas mediante la herramienta informática en línea google maps (Acceder mediante: https://maps.google.es/), mientras que las distancias marítimas fueron consultadas mediante la opción “Distancias marítimas” donde se visualiza la distancia entre los principales puertos comerciales marítimos del mundo escogiendo el srcen y el destino (Acceder mediante: http://www.infopuerto.com/calculos/). El cálculo de los costos de cada equipo y de los costos totales de los equipos con el efecto de traslado se enseña en el archivo ANEXO 4-Costos y dimensiones de equipos.
101
EQUIPO
COSTO TOTAL [COP$]
Compresor C-101 Mezclador 1 MIX-101 Mezclador 2 MIX-102 Mezclador 3 MIX-103 Reactor PFR-100 Intercambiador de calor 1 E-102 Intercambiador de calor 2 E-101 Intercambiador de calor 3 E-100 Intercambiador de calor 4 E-103 Intercambiador de calor 5 E-106 Torre de Absorcion T-101 Berl Saddles (ceramic) 2 inch (Norton) Torre de Destilacion T-102 Bomba 1 P-101 Bomba 2 P-103 Bomba 3 P-104 Tanque de almacenamiento 1 V-100 Tanque de almacenamiento 2 V-101 Tanque de almacenamiento 3 V-102 Tanque de almacenamiento 4 V-103 Tuberias
$ 314.417.382 $ 50.055.745 $ 42.748.442 $ 23.469.281 $ 141.671.361 $ 86.927.431 $ 53.690.643 $ 53.744.853 $ 41.591.090 $ 102.677.189 $ 218.012.999 $ 14.298.355 $ 383.340.564 $ 40.981.543 $ 47.642.891 $ 61.150.273 $ 346.653.012 $ 267.193.291 $ 388.335.434 $ 388.335.434 $ 117.581.827
COSTO TOTAL DE EQUIPOS [COP$]
$ 3.066.937.211
Tabla 29. Costo total Por equipos. Fuente: Autores
COSTO DE TERRENO Después de haber seleccionado la localización de la planta, en la zona industrial conexa al puerto Turbo en Urabá (Antioquia), se procede a la estimación de los costos de terrenos teniendo en cuenta que en la región, el precio del metro cuadrado sin construir oscila entre $25.000 - $40.000 y construido entre $600.000 - $800.000 (Mitula.com, 2014). Los cálculos utilizados para calcular el área total requerida para la instalación y operación de la planta se encuentran en el ANEXO 5 -EXCEL Costo de terrenos. El área transversal de los tanques, intercambiadores, torre de absorción y torre de destilación se calcula a partir de los datos obtenidos en el dimensionamiento de los equipos, mientras que para el cálculo del área de las bombas y el compresor se utilizaron datos obtenidos como potencia, caudal y diámetro de carga arrojados en la Simulación en HYSYS, por medio del uso de heurística. 102
Para la determinación del espacio mínimo requerido de separación entre equipos se tomó como guía el “Manual de ingeniería de riesgos –Separación e instalación entre equipos e instalaciones”(PDVSA, 1995).
ÁREA DE LA PLANTA Descripción del Área de la planta TOTAL [m2] Zona de cargue y descargue 250 Zona de equipos 910,2369984 Sala de control 15 Zona de edificios 100 ÁREA 1275,236998 COSTO TERRENO TURBO/ANTIOQUIA
1020189599
Tabla 30. Costo total de terreno por m2.Fuente: Autores DISTRIBUCIÓN DE LA PLANTA Para la distribución de planta se escogió la disposición en horizontal porque se posible hacer futuras ampliaciones si se requiere, facilita el transporte de los insumos y el mantenimiento de los quipos, en caso de emergencias la evacuación del personal es más rápida y permite una separación adecuada de ambientes. En esta disposición la ubicación de equipos, servicios, líneas de transporte de servicios, y demás instalaciones industriales se encuentran en áreas previamente delimitadas en un solo nivel, aunque no necesariamente integrados en un solo edificio (Fonseca Villoga, 2012). El objetivo siguiente es entonces hacer la distribución e integrar las áreas, edificios, equipos, materiales y operarios, a continuación se plantea un prospecto de ubicación zonas de la planta (sin escala) El siguiente esquema muestra la distribución final de la planta. Esta planta cuenta con zona de carga y descarga de materias primas y producto final respectivamente, además cuenta con una distribución que permite una fácil evacuación a la hora de presentarse una emergencia:
103
OFICINAS
MANTENIMIENTO
LABORATORIOS
ENTRADA Y ALMACÉN DE INSUMOS.
SALIDA Y ALMACÉN DE PRODUCTO
Zona de destilación
Zona de absorción
Zona de reacción
Fig.27. Plano de distribución de la planta .Fuente: Autores En la siguiente tabla se muestra la lista completa de equipos en cada zona y con la nomenclatura adecuada para cada equipo. ZONA
EQUIPO
ENTRADA Y ALMACEN DE INSUMOS Tanque almacenamiento metanol
ZONA DE REACCIÓN ZONA DE ABSORCIÓN
ZONA DE DESTILACIÓN SALIDA Y ALMACÉN DE PRODUCTO
NOMENCLATURA V-100 y V-101
Bomba metanol Intercambiador metanol Compresor aire Intercambiador aire
P-101 E-101 C-101 E-102
Mezclador aire - metanol Reactor
M-1 R -101
Absolvedor formaldehido Intercambiador formaldehido
T-101 E-103
Destilador metanol Intercambiador Intercambiador Bomba formaldehido Mezclador formaldehido-agua Intercambiador formaldehido
T-102 E-104 E-105 P-103 M-2 E-106
Tabla 1. Equipos usados en el proceso, separados por zonas y con nomenclatura según la zona. Fuente: Autores.
104
12.3. COL (COSTOS DE MANO DE OBRA) Este factor considera la mano de obra requerida para la producción de formaldehido. Se calcula según la capacidad de personal que requieren los equipos y otros servicios de la planta, en estos valores interviene la inflación. Dentro de su valor se tiene en cuenta:
ORGANIGRAMA PERSONAL DE LA PLANTA
Fig.28. Organigrama del personal de la planta Fuente: Autores Operarios necesarios en la planta: Se escogió la cantidad y el número de operarios los equipos usando la tabla de operarios varios equipos depara procesos, además se tuvo en cuenta el factorrequeridos de númeropara de turnos por operar en Colombia que equivale a 3,65.
105
Cantidad 1 3 1 6 1 1 1 2
Tipo de Equ ipo s Tanqadulemacenamiento Bomba Reactor Intercambiaddoceralor Compresor Absorbedor Columddneeastilación Mezcladores
Operarios po r equ ipo 0 0 2 0,1 0,15 1 1 0 Cantidaddeoperariosporturno
Total operarios por equipo 0 0 2 0,6 0,15 1 1 0 4,75
Tabla.30 Número de operarios. Ver carpeta ANEXOS- Libro-COSTOS MANO DE OBRA-Excel El número de operarios diarios se define como el producto entre el factor de número de turnos por operar en Colombia (3,65) por la cantidad de operarios por turno (4,75): 17,338 operarios. #Operarios diarios
17,3375
Valor del salario mínimo legal vigente: (S.M.L.V) Corresponde al valor de $589.500, validado por el Artículo 145 C.S.T., además debe tenerse en cuenta el subsidio transporte que equivale a $70.500 cuyo soporte es el mismo artículo mencionado anteriormente.
Prestaciones sociales: son los dineros adicionales al Salario que se debe reconocer al trabajador vinculado mediante contrato de trabajo por servicios prestados. Éstas corresponden a las Cesantías con un porcentaje de 8,33% sobre el salario base según el Artículo 249 C.S.T., 1% de Intereses sobre Cesantías según Ley 52 de 1975, 8,33% de Prima definido por el grupo de trabajo acorde a la Ley 11 de 1984 y las Vacaciones que corresponden a medio salario mínimo (8,33%) según Articulo 186 C.S.T.
Aportes parafiscales: son una contribución especial al SENA (2%), ICBF (3%) y Cajas de Compensación Familiar (4%), para que estas Entidades adelanten programas de naturaleza social, según su misión, avalado por la Ley 21/1982. Seguridad social: La legislación de la Seguridad Social en Colombia, estipula que todos los trabajadores deben estar amparados por la ley, los requisitos están registrados de la siguiente manera: Salud (8,5 %): Requisito de Ley 1122 del 2007 Pensión (12%): Requisito de Ley 797 del 2003 106
Riesgos profesionales (Riesgo muy bajo 0,52- Riesgo alto 4 %): Requisito de ley 1122 del 2007.
COSTOS DE NÓMINA: Para ver los costos totales de mano de obre remitirse a Excel-Anexo 6-COSTOS DE MANO DE OBRA. COSTO DE LA NÓMINA DEL PERSONAL OPERATIVO P E RF I L
#T R ABAJ A DORE S
Operador sala de control Personaldeoperación Ingeniero Químico
#S . M . L V
3
5 25 1
3,6 8 Salario Base Total
S A L A RI OBA S E
9.240.000 $ $55.440.000 4.928.000 $ $ 69.608.000
Tabla 31. Salario base de operarios.
COSTO MENSUAL NOMINA PRODUCCIÓN COSTO MENSUAL NÓMINA PRODUCCIÓN SalarioBase $ 69.608.000 Prestaciones Sociales $ 15.195.426 Paraf iscales $ 6.264.720 SeguridadSocial $ 17.053.960 TOTAL $ 108.122.106 Tabla 32. Nómina del costo mensual de los operarios.
EL COSTO ANUAL DE LA MANO DE OBRA DE LOS OPERARIOS ES DE $ 1.297.465.276,8 COP.
COSTO DE LA NÓMINA DEL PERSONAL ADMINISTRATIVO P E RFIL
# T RAB A JADORE S
Gerente General Administradordecompras Administrador de ventas Jefe de producción Supervisor de calidad Administrador de personal Secretaria administrativa Aseador Vigilante
# S .M .LV
1 1 1
12 3,6 3,6 8 6 3,6
1 1 1 1
5 1 2
1 1 Salario Base Total
S A L A RI O BAS E
7.392.000 $ $2.217.600 2.217.600 $ 4.928.000 $ 3.696.000 $ 2.217.600 $ 3.080.000 $ 688.000 $ 1.376.000 $ $ 27.812.800
Tabla 33. Salario base del personal administrativo.
COSTO MENSUAL NOMINA ADMINISTRACIÓN
107
COSTO MENSUAL N OMINA ADMINISTRAC IÓN SalarioBase $27.812.800 Prestaciones Sociales $ 6.071.534 Paraf iscales $1.779.648 SeguridadSocial $5.846.251 TOTAL $ 41.510.233 Tabla 34. Nómina del costo mensual del personal administrativo.
EL COSTO ANUAL DEL PERSONAL ADMINISTRATIVO ES DE $ 498.122.793,6 COP.
COSTO DE LA NÓMINA DEL PERSONAL DE VENTAS P E R FI L
#T R A B A J A D O R E S
Asesor Comercial Asesor ventas de Auxiliar de entrega Logistica y
#S . M . L V
1
3
1
2 1,5
1
Salario Base Total
S A L A R I OB A S E
1.848.000 $ 1.304.000 $ 996.000 $ $ 4.148.000
Tabla 35. Salario base del personal de ventas.
COSTO DE LA NÓMINA DEL PERSONAL DE VENTAS COSTOMENSUAL NOMINA SalarioBase Prestaciones Sociales Paraf iscales
VENTAS 4.148.000 905.508 373.320
SeguridadSocial 871.910 TOTAL $ 6.298.738 Tabla 36. Nómina del costo mensual del personal de ventas.
EL COSTO ANUAL DEL PERSONAL DE VENTAS ES DE $ 75.584.856 COP. 12.4. CUT Para el funcionamiento de la planta se requiere el suministro de los siguientes servicios públicos:
AGUA POTABLE Y ALCANTARILLADO: El suministro de agua potable para consumo humano, será provisto mediante agua embotellada y dispensadores de aguas distribuidos en los distintos puntos de la planta. Adicionalmente para el funcionamiento de los intercambiadores es necesario la disponibilidad de agua de enfriamiento. COMBUSTIBLE: se utiliza gas natural con el cual se generará la combustión pasando los gases por el sistema de conversión e intercambiadores de calor hasta que éste alcancen la temperatura de trabajo requerido. 108
ELECTRICIDAD: La provisión de electricidad es necesario para el funcionamiento de equipos de bombeo y desplazamiento de gases.
Con base en los datos de potencia y caudales volumétricos suministrados por la simulación en HYSYS, se obtiene los costos totales de servicios anualmente descritos en el ANEXO-EXCEL 7 Costos de servicios: Los servicios industriales son necesarios para la operación de la planta, tales, como agua ya sea para enfriamiento o calentamiento, electricidad para el funcionamiento de los equipos y gas natural. El costo base de electricidad3 es de $ 459,57/kWh mientras que el costo base del agua es de $ 1477,73 /m . En las tablas precedentes se presentan la información pertinente. Equipos COMPRESOR(C- 101) BOMBAP-101 BOMBAP-103 BOMBPA-104
Pontenc ia(kWh) Costo($COP) 216,72 $ 99.598,93 0,263182471 $ 120,95 0,3605 $ 165,68 0,0224 $ 10,30 TOTAL $ 99.895,86 Tabla 37. Costo total de la electricidad por horas de funcionamiento de los equipos. Fuente: Autores
EL COSTO ANUAL DEBIDO A LA ELECTRICIDAD CONSUMIDA ES DE $ 875.087.694,542 (COP).
Equipos INTERCAMBIADOR1(E- 102) INTERCAMBIADOR2(E- 101) INTERCAMBIADOR 3 (E-100) TORREDEABSORCIÓN(T- 101) MEZCLADOR(MIX-102) INTERCAMBIADOR5(E- 102)
Caudal(m3/h) Costo($COP) 1,313762851 $ 1.941,39 7,315934616 $ 10.810,98 2,746090 $ 4.057,98 0,126 $ 185,54 0,1802 $ 266,29 44,69945592 $ 66.053,73 TOTAL $ 83.315,89 Tabla 38. Costo total del caudal de agua por horas. Fuente: Autores
EL COSTO ANUAL DEBIDO LOS CAUDALES DE AGUA NECESARIOS ES DE $ 729.847.221,285 (COP). El cargo fijo del gas natural es de $ 2.355 (COP) y el costo anual debido a este servicio es de $ 28.260 (COP).
EL COSTO TOTAL DE TODOS LOS SERVICIOS INDUSTRIALES NECESARIOS PARA LA PRODUCCIÓN DE FORMALDEHIDO ES DE $ 1.604.963.175,827 (COP).
109
12.5. CWT Durante el proceso de producción de formaldehido hay existencia de residuos, los cuales deben ser tratados para minimizar impactos y multas ambientales, sin embargo el encontrar un costo referente para este ítem obliga a simular rigurosamente el proceso teniendo en cuenta todas las etapas que lo describen por lo cual por simplicidad se decide omitir este tipo de costo variable. Ya hallando cada uno de los factores de la COM reemplazamos en la formula
VALOR TOTAL DE COM: $ 9’762.658.833
13. MATRIZ DE FONDO Para la realización del flujo neto de caja (ANEXO 8 –EXCEL Matriz de fondo) es necesario tener en cuenta las siguientes consideraciones:
Para fijarcostos el crecimiento de costos fijos, gastos se de considera administración, costos del de ventas, del producto y costos variables el promedio valor de la inflación en Colombia por los últimos años (ANEXO 9-PROMEDIO DE INFLACIÓN) generando un porcentaje de crecimiento de aproximadamente 4%. La tasa de incremento de costos de mantenimiento se fijó con un porcentaje del 0,8% anual. La tasa de incremento de seguros, se fija en un porcentaje de 0,5%. La cantidad de unidades durante los 10 próximos años se mantienen constante. Para el capital de trabajo se utiliza una tasa de crecimiento igual al 20% de la inversión total. La tasa de crecimiento para costos generales y otros costos de administración son del 0,6% y 0,5% respectivamente. El valor apresente se hallade conlos base a un interés anual del 10%. Debido que la neto proyección precios del formaldehido presentan un aumento exorbitante en valor (ANEXO 10-Proyeccion de Precio de formaldehido) al realizar la matriz de fondo inicialmente se usan los precios 110
proyectados, sin embargo la TIR resultante es muy grande por lo que es necesario el uso de un precio basado en la resolución 0249 del 2014 expedida por la dirección Nacional de estupefacientes la cual es la encargada de regular el precio del formaldehido en Colombia. La depreciación es lineal por lo tanto solo se le atribuye solamente a equipos.
Los índices de factibilidad que se valoran son: El VPN y la TIR
13.1. VPN: Herramienta empleada en el análisis fundamental para la consideración del valor temporal del dinero a la hora de evaluar entre los diferentes proyectos de inversión disponibles para una empresa a largo plazo. Para el caso de estudio se obtuvo en los cinco primeros años de vida útil del proyecto un valor negativo de este índice, pero en adelante los valores presentan una tendencia de crecimiento que muestran que el proyecto resulta atractivo ya que en poco tiempo logra recuperarse la inversión inicial y se obtienen márgenes de utilidades considerables. 13.2. TIR: La tasa interna de retorno (TIR) es una tasa de rendimiento utilizada para medir y comparar la rentabilidad de las inversiones. Esta tasa de descuento hace que el valor presente neto sea igual a cero. El término interno se refiere al hecho de que su cálculo no incorpora factores externos (por ejemplo, la tasa de interés o la inflación). Para el proyecto de producción de formaldehido se obtuvo un valor de 18% la cual está por encima de la tasa mínima establecida para la recuperación de la inversión haciendo que sea atractiva la puesta en marcha de la planta.
13.3. PRECIO DE EQUILIBRIO: El punto de equilibrio es una herramienta que permite determinar el momento en el cual las ventas cubrirán exactamente los costos, de tal forma que este viene a ser un punto de referencia a partir del cual un incremento en los volúmenes de venta generará utilidades, pero también un decremento ocasionará perdidas, para este caso a partir del sexto año ya se ha recuperado la inversión y el precio del producto se encuentra por encima de la referencia lo cual indica la generación de ganancias. INDICE DE FACTIBILIDAD
VALOR
VPN
$ 1.580.245.994,69
TIR PUNTO DE EQUILIBRIO
18% $ 187,01
Tabla 39. VPN y TIR del proyecto de producción de formaldehido. Fuente: Autores 111
14. ANALISIS DE RIESGO El análisis de riesgo de un proyecto permite estimar cuanto van a cambiar las condiciones después de la ejecución. Para este proyecto para el análisis se realizó el método de Montecarlo que si bien no eliminan la incertidumbre, permite cuantificar el riesgo en el proyecto, definiendo la probabilidad que ocurran eventos que generen consecuencias positivas o negativas, obteniendo una información más clara en la toma de decisiones sobre la ejecución o no de este. Las variables tenidas en cuenta en el análisis son precio del producto, costo de materias primas y costo de los equipos.
MÉTODO: MONTECARLO
Para el desarrollo, del método Montecarlo, se han tenido en cuenta los siguientes parámetros: Costo operación, capital fijo de inversión y ventas, a estos tres se les hizo su respectivo análisis para establecer el valor de la desviación estándar de cada uno de la siguiente manera.
Para el capital fijo de inversión se toma una desviación del 20% esto teniendo en cuenta que tenemos una economía inestable, debido a factores como: variación del precio del dólar, tratados de libre comercio en inflación.
Para el costo de operación se hace una estimación de variación estándar del 10% debido a que los costos solo dependen de factores nacionales como inflación, reajuste a valores de servicios públicos, por ende tendría una variación menor.
Para las ventas solo se estima un 5% de desviación estándar debido a que este factor depende del precio de la competencia y materias primas.
A continuación se presenta el histograma, realizado con ayuda de la herramienta Excel. (ANEXO 13)
112
Fig. 11. Análisis de riesgo, método Montecarlo. Fuente: Autores 15. ALTERNATIVAS DE DISEÑO
Reducir los costos de capital considerablemente minimizando el COM para así aumentar el valor presente neto y la TIR, por medio de la reducción del costo del equipos adquirirlos en países más cercanos con transporte impuestos de de los aduana másintentando bajos sin omitir la calidad y la confiabilidad en las diferentes maquinas.
Los residuos generados en las distintas etapas del proyecto serán dispuestos cada uno de acuerdo al manejo que requieran, el tipo de residuo y su naturaleza, para su posterior retiro y disposición final por parte de empresas avaladas por la autoridad sanitaria. En el proceso de proceso de absorción, son procesos exotérmicos, por lo que la recuperación de calor en la planta de producción de formaldehido es clave tanto económica como ambientalmente. Este calor puede usar en otros puntos de la planta o en la producción de energía para la red.
En términos generales se puede mejorar el proceso optimizando el control de este incluyendo controles de las temperaturas, conversión y absorción y en la concentración del formaldehido para la disposición final. 113
ESTUDIO AMBIENTAL 16. ANALISIS DE IMPACTO AMBIENTAL 16.1 IDENTIFICACIÓN DE RESIDUOS PRODUCIDOS DURANTE EL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE FORMALDEHIDO Durante la producción de formaldehido se presentan varios efectos ambientales que llevan consigo una cantidad considerada de residuos contaminantes y que es de vital importancia hacer una buena disposición de estos, sin embargo de acuerdo a la matriz de impacto ambiental (Ver ANEXO-EXCEL 14-MATRIZ DE IMPACTO AMBIENTAL) se identifican impactos relevantes en comparación con los demás. Dentro de este apartado se destacan los siguientes ítems:
RESIDUOS PRODUCIDOS
Los residuos que nuestra empresa productora de Formaldehido genera durante su proceso son:
Metanol: 45,732 Kg/h en la corriente 12 Agua: 21,012 Kg/h en la corriente 12 Nitrógeno: 4053,668 Kg/h en la corriente 12
Estas sustancias con consideradas como residuos porque el costo de su purificación es mayor que el de su valor como materia prima. También podemos encontrar otra clase de residuos que no están directamente relacionados con el proceso productivo como:
Generación de residuos sólidos como papel por la generación de documentos y cálculos Generación de residuos sólidos provenientes del uso de materiales durante el anegamiento del área Recipientes plásticos donde se contiene el metanol para ser utilizado en el proceso
CARACTERISTICAS DE LOS AGENTES CONTAMINANTES METANOL: Identificación del Producto: Sinónimos: Alcohol Metílico CAS No: 67-56-1 Peso Molecular: 32.04 Fórmula Química: CH3OH Códigos del producto: DORWIL D016-03-03 114
Composición/Información de los Ingredientes Ingrediente Methyl Alcohol
CAS No
Por Ciento
67-56-1
100%
Peligroso Si
Identificación de Peligros Reseña de Emergencia ¡VENENO! ¡PELIGRO! VAPOR DAÑINO. PUEDE SER FATAL O CAUSAR CEGUERA SI SE INGIERE. NOCIVO SI SE INHALA O ABSORBE A TRAVÉS DE LA PIEL. NO PUEDE TORNARSE NO-VENENOSO INFLAMABLES.
NONPOISONOUS.
LÍQUIDO
Y
VAPOR
CAUSA IRRITACION A PIEL, OJOS Y APARATO RESPIRATORIO. AFECTA EL SISTEMA NERVIOSO CENTRAL E HÍGADO. Salud: 3 - Severo (VENENO) Inflamabilidad: 3 - Severo (Inflamable) Reactividad: 1 - Ligero Contacto: 3 - Severo (RIESGO DE VIDA) Equipo de Protección para Laboratorio: ANTEOJOS PROTECTORES Y CUBIERTA; UNIFORME Y DELANTAL PARA LABORATORIO; CAMPANA DE VENTEO; GUANTES ADECUADOS, EXTINGUIDOR CLASE B. Codigo de Color ROJO (Inflamable)
Efectos Potenciales de Salud
Inhalación: Leve irritante de las membranas mucosas. Los efectos tóxicos se ejercen sobre el sistema nervioso, particularmente en el nervio óptico. Se elimina muy lentamente una vez absorbido por el cuerpo. Los síntomas de sobreexposición son dolor de cabeza, somnolencia, náuseas, vómitos, visión 115
borrosa, ceguera, coma y muerte. Una persona puede presentar mejoría y luego empeorar nuevamente durante las próximas 30 horas. Ingestión: Tóxico. Los síntomas son análogos a los de la inhalación. Puede producir intoxicación y causar ceguera. La dosis fatal usual: 100-125 mililitros. Contacto con la Piel: El alcohol metílico es una agente desengrasante y puede hacer que la piel se vuelva seca y agrietada. Puede ocurrir absorción a través de la piel; los síntomas pueden ser análogos a los de la exposición por inhalación. Contacto oculares. con los Ojos: Irritante. La exposición continuada puede causar lesiones Exposición Crónica: Se ha reportado deterioro marcado de la visión y aumento del tamaño del hígado. Las exposiciones repetidas o prolongadas pueden causar irritación de la piel. Empeoramiento de las Condiciones Existentes: Las personas con desórdenes cutáneos ya existentes o problemas oculares o función hepática o renal deteriorada, pueden ser más susceptibles a los efectos de esta substancia.
Agua con altas temperaturas provenientes de los intercambiadores: El agua caliente contiene menos oxígeno que la fría, y el cambio brusco puede causar daño a animales acuáticos que están acostumbrados a una cierta cantidad de oxígeno, es decir produce desequilibrios ecosistémicos. Agua utilizada por el personal de la planta: Se producen estos en la utilización de baños, cocina y lavado, los cuales contienen materias saponosas, detergentes, restos de alimentos y alimentos sintéticos. VALORES DQO DE AGUAS RESIDUALES EN LA INDUSTRIA Las concentraciones de DQO en las aguas residuales industriales pueden tener unos valores entre 50 y 2000 mgO 2/l, aunque es frecuente, según el tipo de industria, valores de 5000, 1000 e incluso más altos. Su máxima concentración es de 1000 mgO2/l[8]
116
16.2 SOLUCIONES DE CONTROL Y MITIGACIÓN METANOL: Medidas Contraincendios
Incendio:
Temperatura de inflamabilidad: 12C (54F) CC Temperatura de autoignición: 464C (867F) Límites inflamables en el aire % por volumen: Límite explosivo inferior: 6.0; Límite explosivo superior: 36 ¡Líquido y vapor inflamables!
Explosión: Por arriba del punto de ignición mezclas con aire son explosivas dentro de límites inflamables indicados anteriormente. Peligro moderado de incendio y peligro riesgoso de incendio cuando se expone al calor, chispas o llamas. Sensible a las descargas estáticas. Medios Extintores de Incendio: Use espuma de alcohol, químicos secos o bióxido de carbono. (El agua puede ser ineficaz). Información Especial: En el evento de un fuego, vestidos protectores completos mascarilla completa operando eny laaparato demandarespiratorio de presión autónomo u-otro modocon de presión positiva. Use aerosol de agua para cubrir el fuego, para frescar contenedores expuestos al fuego. Los vapores pueden fluir a lo largo de superficies hacia distantes fuentes de ignición e inflamarse.
Medidas de Escape Accidental Ventile el área donde ocurrió la fuga o derrame. Elimine todas las fuentes de ignición. Use el apropiado equipo protector personal. Aísle el área de peligro. Evite la entrada de personal innecesario y no protegido. Contenga y recupere el líquido cuando sea posible. Use herramientas y equipo que no formen chispas. Recoja el líquido en un recipiente apropiado o absórbalo con un material inerte (ej. vermiculita, arena seca o tierra) y colóquelo en un recipiente para desechos químicos. No use materiales combustibles como el serrín. ¡No lo elimine en los drenajes! El agua puede usarse para limpiar los derrames y para diluir derrames de mezclas no- inflamables.
117
Manejo y Almacenamiento: Proteja del daño físico. Almacene en un lugar fresco, seco y bien ventilado, lejos de las áreas con peligro agudo de incendio. Es preferible el almacenamiento exterior o separado. Separe de los materiales incompatibles. Los recipientes deben ser enlazados y puestos a tierra cuando se realizan transferencias para evitar las chispas estáticas. Las áreas de almacenamiento y utilización deben ser áreas donde no se fuma. Use herramientas y equipo del tipo que no producen chispas, incluyendo ventilación a prueba de explosión. Los envases de este material pueden ser peligrosos cuando están vacíos ya que retienen residuos del producto (vapores, líquido); observe todas las advertencias y precauciones que se listan para el producto. No intente limpiar los recipientes vacíos, ya que el residuo es difícil de eliminar. No presurice, corte, solde, solde con latón o con estaño, perfore, triture o exponga estos recipientes al calor, chispas, llamas, electricidad estática u otras fuentes de ignición: pueden explotar y causar daños o muerte.
Controles de Exposición/Protección Personal
Límites de Exposición Aérea:
Para Metanol: - OSHA Permissible Exposure Limit (PEL): 200 ppm (TWA) - ACGIH Threshold Limit Value (TLV): 200 ppm (TWA), 250 ppm (STEL) skin
Sistema de Ventilación: Se recomienda un sistema de escape local y/o general para las exposiciones de empleados debajo de los Límites de Exposición Aérea. En general, se prefiere la ventilación de extractor local debido a que puede controlar las emisiones del contaminante en su fuente, impidiendo dispersión del mismo al lugar general de trabajo. Favor de consultar el documento ACGIH, Industrial Ventilation, A Manual of Recommended Practices (Ventilación Industrial, Un Manual de Prácticas Recomendadas), la edición más reciente, para detalles. Use equipo a prueba de explosión.
Respiradores Personales (Aprobados por NIOSH):
Si se excede el límite de exposición, y no hay disponibilidad de controles de ingeniería, use un respirador con suministro de aire que cubra toda la cara, un capuchón con revestimiento de aire o un aparato de respiración autónoma que cubra toda la cara. La calidad del aire que se respira debe cumplir con los 118
requerimientos de la norma de protección respiratoria de OSHA (29CFR1910.134). Esta substancia tiene malas propiedades de advertencia.
Protección de la Piel:
El hule o guantes de neoprene y la protección adicional, incluyendo botas impermeables, delantal, o los monos, como se necesite en áreas expuestas no comunes.
Protección para los Ojos:
Utilice gafas protectoras contra productos químicos. Mantener en el de trabajo un área instalación destinada al lavado, remojo y enjuague rápido de los ojos
Información Ecológica
Suerte Ecológica:
Cuando se elimina en el suelo, se espera que este material se biodegrade rápidamente. Cuando se elimina en el suelo, se espera que este material se filtre en las aguas subterráneas. Cuando se elimina en el suelo, se espera que este material se evapore rápidamente. Cuando se elimina en el agua, se espera que este material tenga una vida media entre 1 y 10 días. Cuando se elimina en el agua, se espera que este material se biodegrade rápidamente. Cuando se elimina en el aire, se espera que este material exista en la fase de aerosol con una vida media corta. Cuando se elimina en el aire, se espera que este material se degrade rápidamente por la reacción con los radicales hidroxílicos producidos fotoquímicamente. Cuando se elimina en el aire, se espera que este material tenga una vida media entre 10 y 30 días. Cuando se elimina en el aire, se espera que este material sea eliminado rápidamente de la atmósfera mediante deposición húmeda.
Toxicidad Ambiental:
Se espera que este material sea ligeramente tóxico para la vida acuática.
Consideraciones de Desecho Lo que no se pueda conservar para recuperación o reciclaje debe ser manejado como desecho peligroso y enviado a un incinerador aprobado o eliminado en una instalación para desechos aprobado. El procesamiento, utilización o contaminación de este producto puede cambiar las opciones de manejo del desecho.
119
16.3. PLAN DE MANEJO AMBIENTAL Durante la producción de formaldehido se presentan varios riesgos que es de vital importancia hacer una buen control de estos, sin embargo de acuerdo al plan de manejo ambiental (Ver ANEXO-EXCEL 15-PLAN DE MANEJO AMBIENTAL) se identifican impactos relevantes en comparación con los demás. Dentro de este apartado se destacan los siguientes ítems:
Campaña informativa sobre el uso eficiente del papel. Utilizar papel reciclaje. Campaña informativa sobre el uso del agua.
Campaña informativa de energía. Revisión periódica de sobre todas el lasuso tuberías de la planta y equipos en búsqueda de problemas de fugas y/o prevención de corrosión. Concientización a todos los empleados de la planta sobre la peligrosidad de compuestos químicos utilizados durante el proceso, precauciones y mitigaciones en caso de accidente con las mismas. Señalización adecuada de todos los lugares de la planta. Crear rutas y salidas de evacuación en caso de una emergencia. Uso de material para proteger la salud de los empleados como cascos, guantes, gafas, protección para los oídos, etc. Llevar a cabo jornadas cortas para la formación integral del trabajador: nutrición, postura de la espalda, psicología, trabajo en equipo, etc. Hacer mantenimiento preventivo de todos los equipos de la planta. Tratar los efluentes de residuos que genere la planta. Realizar evaluaciones periódicas de los efluentes de la planta. Llevar a cabo en su totalidad, el plan de gestión ambiental.
16.4 EQUIPOS Y COSTOS PARA EL TRATAMIENTO DE RESIDUOS
EQUPOS PARA EL TRATAMIETO DE RESIDUOS EN LA PRODUCCION DE FORMALDEHIDO
La corriente gas off de nuestro proceso está compuesta en su mayoría por nitrógeno e hidrogeno, contiene además algunas trazas de formaldehído, metano y otros productos no deseados de las reacciones secundarias que es necesario eliminar debido a su toxicidad .
16.4.1. Comparación de alternativas
Incineración
Se quema de la corriente de gas a altasdeterminado. temperaturasLa mezclada con se unarealiza corriente apropiada aire durante un tiempo combustión en una instalación que suele llamarse planta de incineración, proyectada y construida para tal fin (Compromiso Empresarial para el Reciclaje - CEMPRE, 1998) 120
En procesos de formaldehido la corriente de gas-off es precalentada y llevada a unidades de incineración catalítica, luego es emitida a la atmosfera. El incinerador CATOX es el más utilizado y el diseño es flexible en cuanto cantidad de aire a usar y composición de gas residual. La emisión de formaldehido con esta tecnología es menor al 5mg/Nm 3, las emisiones de CO menores a 20mg/Nm 3 y no hay formación de NOx (Haldor Topsoe, 2002) El costo de operación por hora de una unidad CATOX estándar es 19 USD y el costo por millón pie cúbico de aire es 303 USD (McKetta, 1997), se usó el CEPCI 2013 parade actualizar el valor.
Determinación de costos del incinerador:
El costo del incinerador depende del flujo y el tipo y la concentración de los componentes que se manejan (Ministerie van Infrastructuur en Milieu, 2009)
Costo de inversión USD/ 1000m /h 8000 - 26000 Medio Costo de operación Numero de operarios 4 horas/semana Adicionales Consumo de energía kW/ 1000m /h Parámetros para la determinación de costos
Bajo 0.2 – 0.5 Flujo, concentración y componentes a remover. 121
tipo
de
Biotecnología Las tecnologías biológicas están basadas en la capacidad de ciertos microorganismos para usar contaminantes volátiles como fuente de energía, convirtiéndolos en productos inorgánicos más simples s consideran como primera opción. Los microbios se usan en birreactores en los que el biocatalizador es mantenido en condiciones adecuadas para llevar a cabo la eliminación de componentes dañinos. En la remoción de metanol y formaldehído de corrientes gas-off se usan principalmente biofiltros. (Leens, Kennes, LeCloiret, & Deshusses, 2006).
Un biofiltro consisteaentravés un lecho con lamaterial biológico.es La adsorbido corriente de gas es conducida del empacado lecho donde contaminación o absorbida por el filtro (fique, compost, corteza de árbol, etc.) y luego removida por los microorganismos. Antes de entrar al biofiltro el flujo de gas es hidratado, para prevenir la deshidratación del filtro. El costo de operación de un biofiltro por millón de pie cúbico de aire es 14 USD (AMBIO Biofiltration LTDA, 1992), se usó el CEPCI 2013 para actualizar el valor.
La ventaja de los biofiltro es la eficiente eliminación de los residuos tóxicos y el bajo costo de operación comparado con otras alternativas.
122
Determinación de costos del biofiltro:
EL costo de cada biofiltro depende de las características del proceso, el volumen a filtrar y el diseño del reactor (Ministerie van Infrastructuur en Milieu, 2009).
Inversión USD/ 1000m3/h Operación Numero de operarios hora/semana Adicionales
10000 - 20000 Bajo 2 5 litros de agua por 1000 m de gas < 260 USD/m3 para el filtro
Consumo depara energía Flujo, concentración, eficiencia, material Parámetros la determinación Bajo de costos del filtro A continuación se describe una relación que permite calcular el costo total de inversión de un biofiltro estándar, que incluye la instalación, equipos auxiliares y sistema de control, en función del volumen filtrar (Belgiormo, Jaddeo, & Zarra, 2013) [€/m3/h]
El flujo para filtración en el proceso es de 147,1 Kmol/hora es decir 3292 m 3/h, por lo que el costo de inversión es de 28,9 USD/m 3/h. 3 En términos de operación, la biofiltración tiene un costo moderado anual promedio de de 2,6costos ± 1,2 USD/m /h (Belgiormo, Jaddeo, & Zarra, 2013).
COSTOS DEL BIOFILTRO de 3292m Costo de inversión Costo anual
de
95.086 USD
operación 8.559 USD
LA ALTERNATIVA ESCOGIDA PARA LA PURIFICACI N DEL GAS-OFF DEL PROCESO SON LOS BIOFILTROS.
123
17. RESULTADO DE MATRIZ DE FONDO TENIENDO EN CUENTA TRATAMIENTO DE RESIDUOS (VER ANEXO-16-MATRIZ DE FONDO CON TRATAMIENTO DE RESIDUOS)
INDICE DE FACTIBILIDAD VALOR VPN TIR Tabla 42. Índices económicos de matriz de fondo con tratamiento de residuos 17.1. COMPARACION FINANCIERA DEL PROYECTO ANTES Y DESPUES DE APLICARSE EL ESTUDIO DE IMPACTO AMBIENTAL Para poder analizar los la influencia que tiene los métodos y procesos aplicados con el fin de mitigar el efecto medio ambiental, es necesario estudiar los costos generados por estas modificaciones. Estos valores se encuentran en la siguiente tabla:
INDICE DE FACTIBILIDAD
VALOR CON EL ESTUDIO DE IMPACTO AMBIENTAL
VPN TIR
VALOR SIN EL ESTUDIO DE IMPACTO AMBIENTAL $ 1.580.245.994,69 18%
La inversión inicial se incrementa un 0,19% debido a la adquisición de nuevo equipos Se puede observar que este decrecimiento los costos derivados por servicios industriales afecta directamente a los indicadores financieros como lo son el VPN, y la TIR, generando un aumento prudente, lo cual representa atractivo y viable a la hora de invertir en este proyecto de mejora. Finalmente se puede concluir que todos los procesos que generen una disminución de residuos valiosos o no valiosos requiere de un gasto inicial, que puede llegar a ser alto o bajo, según el proceso y el equipo usado, pero que su ganancia puede llegar a ser muy significativa a través del tiempo, como se puede observar en el proyecto analizado en este trabajo.
124
REFERENCIAS
[1] Production of formalin from methanol http://www.che.cemr.wvu.edu/publications/projects/large_proj/Formalin.PDF ARUTYUNOV, Vladimir. Direct Methane to Methanol: Foundations and Prospects of the Process. Reino Unido, Elseiver, 2014. FLOREN, Jhon. Jefferies 2012 Global Industrial and A&D Conference. New York, Methanex® Corporation, 2012. Disponible en: http://www.methanex.com/investor/documents/MXInvestorPresentationJefferiesAug82012-Final.pdf
IHS Chemical. Formaldehye Report. 2012. Disponible en: http://www.ihs.com/products/chemical/planning/ceh/formaldehyde.aspx
Methanol Instute. Methanol basics. 2014. http://www.methanol.org/Methanol-Basics.aspx
Disponible
en:
WEISSERMEL, Klaus y ARPE, Hans-Urge. Química orgánica industrial. España, Reverté, 1981. Obtencion formaldehido http://www.textoscientificos.com/quimica/formaldehido/obtencion acueducto: agua, alcantarillado y aseo de Bogotá. (2014). Tarifas servicios de acueducto y alcantarillado. Obtenido de http://www.acueducto.com.co/wpsv61/wps/portal/!ut/p/c5/hY47DoJQEEXXw gpmeF8oiSKgwNMgCjTkxRDE8LEwJuxeiI0NMlOee88MFDBtr99NrV_N0Os WMihEaZlJlEifoJJki4HjupagjJ4ZnXguyo3nEyGiIpcEEnMkxOmCcWArrSv872fhMd3NgaK26GKPBORf_k__8xxYRyE2B -6CtIVS84hE5BDIRe-3bPDxNuq1rcRnl2G Asociación Nacional de Empresarios de Colombia - ANDI. (2013). Colombia: Balance 2013 y perspectivas 2014. Obtenido de http://www.andi.com.co/Archivos/file/ANDI%20%20Balance%202013%20y%20perspectivas%202014.pdf Cámara Colombiana de la Construcción - CAMACOL. (2014). Obtenido de http://www.directoriocamacol.com/buscadorCamacol.php?ie=UTF8&oe=UTF-8&cof=FORID%3A10&cx=014974272280656902938%3Aq0ahs8khxo&q=adhesivos+madera 125
Camara de Comercio de Medellín. (2011). Zonas francas en Colombias: Regimen legal y evolución reciente . Semana de actualización tributaria. Obtenido de http://www.camaramedellin.com.co/site/Portals/0/Documentos/Memorias/20 11/4Zonas_Francas.pdf Empresa de Energía de Cundinamarca eec. (2014). Tarifas Junio 2014. Obtenido de http://www.eec.com.co/pdf/tarifas/2014/06_2014.pdf Empresas Publicas de Medellin E.S.P. (2014). TARIFAS PARA SERVICIOS DE ACUEDUCTO Y AGUAS RESIDUALES. Obtenido de
http://www.epm.com.co/site/Portals/2/documentos/tarifas/2014/tarifas_agua s_julio_2014.pdf Empresas públicas de medellín E.S.P. (2014). Tarifas y Costo de Energía Eléctrica - Mercado Regulado - julio de 2014. Obtenido de http://www.epm.com.co/site/Portals/2/documentos/tarifas/2014/Publicacion %20julio%2014%20de%202014%20Opci%C3%B3n.pdf Federación nacional cultivadores de cereales y leguminosas - FENALCE. (2013). Indicadores cerealistas. Obtenido de http://www.fenalce.org/nueva/plantillas/arch_down_load/Ind._Cerealista_20 13.pdf Google Maps. (2014). Obtenido de https://www.google.es/maps/dir/Bogot%C3%A1,+Colombia/Turbo,+Antioqui a,+Colombia/@6.1613901,77.5999553,7z/data=!4m15!4m14!1m5!1m1!1s0x8e3f9bfd2da6cb29:0x239d 635520a33914!2m2!1d74.075833!2d4.598056!1m5!1m1!1s0x8e506ba3c75af84f:0x2fda0042da030 d0!2m2!1d-76. LEGIScomex.com. (2013). ¿Aumentará la competitividad de Medellín con la construcción del Puerto de Urabá? Obtenido de http://www.legiscomex.com/BancoMedios/Documentos%20PDF/distribuci% C3%B3n%20f%C3%ADsica%20internacionalpuerto%20de%20urab%C3%A1.pdf LEGIScomex.com. (2014). Directorio interncional de contactos comerciales . Obtenido de http://ezproxy.uis.edu.co:2221/DirectorioImpoExpo.asp?DivMenuAnterior=M enu2&DivSubMenuAnterior=Menu2&DivMenu=Menu11&DivSubMenu=Men u11&DivSubMenuItem=SubMenuItem61 LEGIScomex.com. (2014). Zonas Francas de Colombia . Obtenido de http://www.legiscomex.com/bancomedios/animaciones/Zonas-FrancasColombia.swf
126
Ministerio de minas y energías. (2012-2013). Memorias del congreso de la república Energia eléctrica. Obtenido de www.minminas.gov.co/minminas/downloads/UserFiles/File/Memorias/Memo rias_2013/4-Energia.pdf Mitula.com. (2014). Obtenido de http://casas.mitula.com.co/casas/turbo Paginasamarillas.com. (2014). Obtenido de http://www.paginasamarillas.com.co/busqueda/metanol Universidad Pontificia Bolivariana - UPB. (2013). Antioquia: Potencia hidroeléctrica de Colombia. Contexto - Periodismo universitario , 2-3.
Obtenido de http://www.upb.edu.co/pls/portal/docs/PAGE/GPV2_UPB_MEDELLIN/PGV2 _M030_PREGRADOS/PGV2_M030040010_COMUNICACION/PGV2_M03 0040010080_CONTEXTO/CONTEXTO%2038.PDF UNT Facultad Regional del Rosario. (2014). Manual de Proyecto de Plantas. Obtenido de http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/quimica/5_anio/integracion5/s eccion2.pdf Wikipedia.org. (2014). Antioquia. Obtenido de http://es.wikipedia.org/wiki/Antioquia
127
ANEXOS
128
ANEXO 1: DATOS HISTÓRICOS DE DEMANDA-OFERTA PARA EL FORMALDEHIDO
FORMALDEHIDO
AÑO
Cantidad Cantidad Demandada Ofrecida Qd (Ton/año)
Qo (Ton/año)
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
3,9 4,5 20,4 9,7 7,4 9,9 12,9
593,2 779,5 1236,4 669,1 546,5 135,4 440,0
2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
3,9 34,2 74,8 28,9 2,2 3,9 5,2
719,4 867,5 821,2 211,2 472,7 231,5 1777,0
TABLA 1: Datos históricos de demanda-oferta para el formaldehido FUENTE: DANE
129
ANEXO 2: DATOS HISTÓRICOS DE DEMANDA-OFERTA PARA MATERIAS PRIMAS MATERIA PRIMA METANOL
AÑO
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Cantidad Demandada
Cantidad Ofrecida
Qd (Ton/año)
Qo (Ton/año)
980,6 607,1 39,3 9158,1 7194,4 3829,5 7599,2 15529,8 30079,3 48817,2 70082,0 78244,8 89117,5 102634,8
25,5 1280,9 1506,1 556,4 670,7 1044,3 348,1 445,9 1010,6 0,010 249,7 243,4 579,4 222,3
TABLA 2: Datos históricos de demanda-oferta para el metanol FUENTE: DANE CATALIZADOR OXIDO DE PLATA
AÑO
Cantidad Demandada
Cantidad Ofrecida
Qd (Ton/año)
Qo (Ton/año)
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
0,9 0,7 0,7 0,2 0,6 0,9 1,2
0,8 0,8 0,4 0,2 0,8 0,8 0,4
2010 2011
0,9 3,7
0,2 0,8
TABLA 3: Datos históricos de demanda-oferta para la plata FUENTE: DANE 130
ANEXO 3: DATOS DE DEMANDA-OFERTA PROYECTADA A 10 AÑOS PARA PRODUCTO E INSUMOS
PRODUCTO
INSUMOS INSUMO A
FORMALDEHIDO
METANOL
Cantidad Demandada
Cantidad Ofrecida
Demanda Efectiva
Cantidad Demandada
Cantidad Ofrecida
Oferta Efectiva
Qd (Ton/año)
Qo (Ton/año)
Qdeff
Qd (Ton/año)
Qo (Ton/año)
Qoeff
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
3,9 4,5 20,4 9,7 7,4 9,9 12,9 3,9 34,2 74,8 28,9 2,2 3,9
593,2 779,5 1236,4 669,1 546,5 135,4 440,0 719,4 867,5 821,2 211,2 472,7 231,5
-589,2 -775,0 -1215,9 -659,4 -539,1 -125,5 -427,1 -715,5 -833,3 -746,5 -182,3 -470,4 -227,6
980,6 607,1 39,3 9158,1 7194,4 3829,5 7599,2 15529,8 30079,3 48817,2 70082,0 78244,8 89117,5
25,5 1280,9 1506,1 556,4 670,7 1044,3 348,1 445,9 1010,6 0,010 249,7 243,4 579,4
-955,1 673,8 1466,7 -8601,7 -6523,7 -2785,1 -7251,1 -15084,0 -29068,7 -48817,2 -69832,3 -78001,3 -88538,1
-955,1 673,8 1466,7 -8601,7 -6523,7 -2785,1 -7251,1 -15084,0 -29068,7 -48817,2 -69832,3 -78001,3 -88538,1
2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023
5,2 22,1 23,0 23,8 24,6 25,5 26,3 27,1 28,0 28,8 29,6
1777,0 730,2 737,1 744,0 750,9 757,7 764,6 771,5 778,4 785,3 792,1
-1771,8 -708,1 -714,1 -720,2 -726,2 -732,3 -738,3 -744,4 -750,4 -756,5 -762,5
102634,8 -2254,8 -2259,8 -2264,9 -2269,9 -2275,0 -2280,1 -2285,1 -2290,2 -2295,2 -2300,3
222,3 -18003,3 -18044,9 -18086,6 -18128,2 -18169,8 -18211,4 -18253,0 -18294,6 -18336,2 -18377,8
-102412,5 -15748,6 -15785,1 -15821,7 -15858,2 -15894,8 -15931,3 -15967,9 -16004,4 -16041,0 -16077,5
-102412,5 -15748,6 -15785,1 -15821,7 -15858,2 -15894,8 -15931,3 -15967,9 -16004,4 -16041,0 -16077,5
AÑO
insumo A Unid A/FT.
TABLA 4: Datos de demanda-oferta proyectada a 10 años para producto e insumos. FUENTE: Autores
131
ANEXO 4: BALANCES DE MASA La entrada de alimentación de metanol es la base de cálculo en todo el análisis. La cantidad de base de entrada de metanol fue n3 = 10 Las abreviaturas proporcionadas son: n: es el caudal molar (kmol / hr.) m: metanol w: Agua desionizada H2: hidrógeno N2: nitrógeno f: formaldehído
O2: x: esoxígeno la fracción molar ns: tasa de flujo de metanol, de manera similar a los componentes de descanso. La información proporcionada en el problema de la declaración: Conversión general de metanol: 0.874 La selectividad de la reacción deseada a la reacción no deseada = 9 La producción de formaldehído necesaria = 19891 toneladas por año La temperatura de salida del reactor de 343 ºC Temperatura y presión reciclado es 68.3 ºC y 16 psia, respectivamente. Presión del absorbedor es de 20 psia con la recuperación de la absorción de formaldehído de 99%. La corriente antes de entrar a la columna de destilación se calienta a 102ºC.
1. PRIMER CALCULO BALANCE DE MASA SOBRE EL REACTOR:
CONVERSION= 132
SELECTIVIDAD=
De 6 y 7 se tiene:
Sustituyendo
1y
2 en las ecuaciones anteriores:
Corriente 8=
133
Corriente 9=
BALANCE DE MASA SOBRE EL ABSORBEDOR:
ABS
La solubilidad a temperatura de 89.37ºC es obtenida del balance de energía: Solubilidad del formaldehido=
134
Solubilidad del Metanol =
=
Todo el metanol se disolvió en agua y no en el gas porque:
Agua dentro de la corriente
Gas dentro de la corriente
Asumiendo que todo el N2, H2 están sobre la corriente del gas:
135
Gas fuera de la corriente
Liquido fuera de la corriente
BALANCE DE MASA EN LA COLUMNA DE DESTILACION Suposiciones:
136
Componente liviano: Metanol Componente pesado: Agua Componente intermedio: Formaldehido Factor de inundación constante
137
ANEXO 5: COSTOS DE EQUIPOS COSTO DE LAS BOMBAS
Con la ANTERIOR expresión junto con las tablas y gráficas del apéndice A del libro de Tourton se calcula el precio de una bomba centrifuga en el año 2001 En la figura A.3 se lee el valor de Cpo para las potencias de cada una de las bombas.
En la tabla A.4 se lee los valores de B 1 y B2
138
EN LA TABLA A3 FIGURA A8 y tabla A6 Se encuentra el número de identificación para el equipo según su descripción y material de construcción. Con el número de identificación se entra en la FIGURA A8 y FIGURA A9 y se busca el punto correspondiente al número de identificación y el corte con el eje del factor de material nos indica el valor de FM
Con la siguiente ecuación y la tabla A.2 del libro de Tourton se hallo el valor de Fp 139
Las constantes C1, C2 Y C3 Para cada equipo, con su descripción y presión se encuentran en la tabla A.2
140
ANEXO 6: COSTOS DE MANTENIMIENTO Los costos que se deben destinar para el plan o sistema de mantenimiento de la planta deben ser iguales al 0,8% del costo total de los equipos. En este orden de ideas el costo de mantenimiento de nuestra planta productora de formaldehido se obtendría de la siguiente ecuación:
Estos costos se encuentran en el ANEXO “MATRIZ DE FONDO” se anexa al trabajo. ACTIVIDADES DE MANTENIMIENTO
Mantenimiento preventivo: Es una, actividad programada de inspecciones, tanto de funcionamiento como de disminución de riesgos, ajustes, reparaciones, análisis, limpieza, lubricación, calibración, que deben llevarse a cabo en forma periódica según un plan establecido. El propósito es prever averías o desperfectos en su estado inicial y corregirlas para mantener la instalación en completa operación a los niveles y eficiencia óptimos.El mantenimiento preventivo permite aumentar la vida útil de equipos, disminuir costos de reparaciones, detectar puntos débiles en la instalación entre una larga lista de ventajas. Mantenimiento Correctivo: Es un mantenimiento no planificado a causa de un daño o falla que impide el uso normal de un activo, por causas humanas (mal trato, abandono, desconocimiento del manejo) o por daño intempestivo de una pieza, componente o estructura de dicho activo.Los mantenimientos correctivos también pueden ser planificados, cuando en las revisiones periódicas de mantenimiento preventivo se determina el cambio de un componente, pieza o estructura del activo a fin de evitar daños mayores y más costosos.
Los Activos por los cuales se pueden realizar solicitudes de mantenimiento correctivo son:
Muebles y enseres
Maquinaria y equipo
Calderas Plantas eléctricas Sistema red contra incendio Motobombas Entre otros
141
